矿井隧道无线通信时抗多径衰落方案的研究①

孟庆辉， 张友能， 梅 蓉

(安徽工贸职业技术学院电气系，安徽 淮南 232007)

0 引 言

井下作业是当今最危险的职业之一，几乎每年都能在新闻报道中见到某地出现井下事故有多少人遇难等等。因此政府和企业将煤矿安全生产的信息化工作提上空前的高度。煤矿企业的通信系统经过多年建设和发展，虽取得了较大的成效，但是缺乏成熟的井下移动通讯解决方案。近些年来陆地无线通信理论和技术快速发展，但在井下的无线通信中还有许多问题。其中最主要的是多径衰落问题和抗干扰问题。这严重影响井下通信的可靠性和稳定性。而正交频分复用技术为矿井通信中的抗多径衰落提供了新的研究思路。

1 矿井隧道的通信环境及其重要性

井下环境十分复杂，空气湿度相对较高，含有多种易燃易爆气体。急易引发火灾、爆炸和坍塌等灾难。而且当井下发生事故时，因其环境特殊空间原本就小，采矿机械和电气设备又占据一部分空间使得井下空间预显狭窄。急易导致井下人员的伤残和死亡。所以保证井下通信就有十分重要的意义。

随着现代科技的飞速发展，在井下已经多采用的自动化设备的，以此来大量的减少井下工作人员，从而降低井下工作人员遇害几率。而自动化设备的操作控制，井下巷道远程监控都离不开通信的支持。因为井下环境的特殊性，无线通信以其自身的各项优势将成为井下通信的主流技术。

井下巷道特殊的通信环境，使得无线电波在传输过程中会产生折射、反射、散射和衍射等多径衰落现象。因此解决矿井隧道中无线通信时抗多径衰落就显得尤为重要。而影响井下通信环境主要因素如表1：

表1 井下通信环境影响因素

2 正交频复用(OFDM)技术的特点

与传统的单载波技术相比(如图1)，正交频复用(OFDM)技术是一种有效的频域里将载波的分成多个正交的子载波，同时将传输数据也分成多个子数据，每个子载波承担一个子数据的调制方案。这种技术利用了多径信道的分集特性，将信息码元经过串并变换分散到多个多个子信道上进行并行传输。这种调制方案可以增大码元周期，降低多径效应的干扰。同时利用循环前缀(CP)为保护间隔来减少消除符号干扰。而且由于各子载波的正交性，极大的降低了子载波间的干扰。体现出良好的抗多径衰落特性。其主要特点如下：

图1 单载波和多载波传输

图2 正交频复用(OFDM)技术的系统组成图

图3 傅里叶反变换的多载波调制

图4 常规多载波(FDM)与正交频复用(OFDM)信道分配对比图

(1)要依赖数字信号处理(DSP)来处理大量数据。但频带利用率高，带宽大，抗脉冲噪声好。

(2)可以对随机出现的干扰信号进行及时的修正。并且在面对多种频率而产生的问题能自动重建。

(3)面对大量的外界电磁干扰，有很强抗多径衰落特性。在矿井巷道恶劣的环境下，显示出良好的适应性。

图5 OFDM系统模型的仿真流程图

图6 RS编码前后误码率比较

图7 不同子载波的误码特性

3 正交频复用(OFDM)技术的系统模型

如图2 OFDM系统主要分为发送端和接收端两个部分。在发送端信号发出，先经串并转换分为多个子信道，然后再进行快速傅里叶反变换(IFFT)和相位、幅度的调制。将信号数据分成多个子数据进行传输。同时为减少多径时延在弥散信道中符号间干扰加入CP保护间隔来使其正交。接着通过并串转换，成型滤波器把信号传送出去。

而在接收端将接收到的数据进行同步，再经过OFDM解调器解调转换合并成初始信号进行接收。

其中在发送端OFDM调制器进行行分割调制数据时，采用了快速傅里叶反变换(IFFT)算法。如公式(1)。根据公式(1)傅里叶反变换(IFFT)累加了矩阵X(k)中所有的正弦和余弦信号，形成一时域信号。可以看出这是一组复杂的指数载波，其中信号阵列X(k)中，k的取值是0到N-1的N个数。从而会有N个采样值的指数载波(如图3)。 要注意这些指数载波必须是正交的。

n=0,1,···N-1

(1)

在接收端OFDM解调器中就是把发送端调制过程进行的逆变换。采用的是快速傅里叶变换(FFT)算法公式(2)来解调出原来的信号。

k=0,1,…N-1

(2)

4 正交频复用(OFDM)技术系统性能的仿真分析

对正交频复用(OFDM)技术的系统的模拟仿真是对传输性能影响较大的重要指标来进行分析，找出最合适的技术来尽可能的提升传输性能。而影响较大的主要有以下两点：

(1)频带利用率，就是在单位带宽的频带上每秒可传送的比特数。它可以衡量传输技术对带宽资源的利用率。理论上来说，多径传输的传输速度肯定远大于单载波。而正交频复用(OFDM)技术的传输效果肯定比普通的多径复用(FDM)技术要节省带宽(如图4)。

(2)误码率，它是指经过通信系统传输后，接收到的数据中错误的码字数占总码字数的比例。对于传输系统来说误码率肯定是越低越好。而系统仿真分析就是为了从多种不同的信息编码和调制方案中找出误码率最低的方案。

在这里使用Matlab软件可以很好的对误码率进行仿真分析。如下图5是对正交频复用(OFDM)技术系统模型的仿真具体流程。

如图6在对信息编码进行仿真时，可以明显看出对要传输的信息进行RS编码可以明显的降低系统的误码率。所以在设计系统时要选择合适的编码。

如下图7 随着传播路径子载波数的增多系统的误码率在明显的降低。这就可以显示出正交频复用(OFDM)技术，具有有良好的抗多经衰落的性能。但是传播路径子载波数的越多系统的复杂性也越大，要调制处理数据也越大。基于现代处理数据的硬件，数字信号处理器(DSP)的运算速度，可以选择合适多个路径来传递信号。

5 结 语

通过仿真分析，可以看出正交频复用(OFDM)技术只要选择合适信息编码和合适数目的传播路径就可以很好的降低数据传输的误码率。而且他还极大节省带宽资料，所以从理论上分析它十分适合于矿井隧道的井下通信。