超宽带无线通信技术在矿井下的应用探析

2023-01-31邸鹏

科学与信息化 2023年1期

邸鹏

西山煤电杜儿坪煤矿山西太原 030022

引言

矿井移动通信在保持矿井安全、生产效率、抢险救灾等多个方面发挥至关重要的作用。但是，矿井下具有复杂的环境条件，呈现出一定的特殊性，在井下的无线电波传播存在较大难度，仅仅能够凭借有线才能实现矿井下移动通信，但是存在一定不足之处，需要人们不断研究，探索矿井下移动通信技术，解决现有系统存在问题。

1 超宽带无线通信技术

超宽带无线通信技术和以往的通信技术相比，在传送速率、应用范围等对多个方面呈现出较大优势，得到巨大突破。超宽带无线通信技术主要体现在传播介质方面，为短波脉冲信号，信号持续时间不长，但是占据带宽频率级别高，进而跨越式提升传输速率[1]。另外，超宽带无线通信技术，借助纳秒级极窄脉冲信号传送数据，呈现出较高分辨率，实现高精度定位。

2 应用优势

2.1 宽带大、传输速率高

该技术制造成本较低，同时在制造中技术简单，发送功率低，在无线通信系统中，具有较大空间容量；在频域上，该技术跨越展现出较广泛的范围，确保在嘈杂环境下不会被检测到，呈现出较高的安全性。同时，无线通信技术穿透力较高，在检测、定位中被广泛应用，提供的高速率无线通信数据传输速率能够更加符合大容量多媒体流的传送。

2.2 保密性高

该技术应用信息接收系统主要是利用跳时扩频，在超宽带无线通信系统的接收机发送端的脉冲序列，才能保证数据信号发出和接收中的安全保密性。该技术具有低功率的发射优点，在信息、数字化信息时代，难以在复杂环境中被检测，进一步提升其安全保密性。

2.3 能耗低

超宽带无线通信系统在通电之后，体现出耗电量低的优点，经过持续的发射载波，借助该技术的脉冲电波能够有效符合相关目标需求，消耗较少电量，并且发射信号时，发射消耗功率较低，不会产生较高的噪声干扰，同时和其他相关通信技术能够相互融合[2]。

2.4 多径分辨能力强

超宽带无线通信技术时间分辨力较强，决定其具备多径分辨率高的优势，一般Ins脉冲的多径分辨率为30cm，发送端频率分集，接收端应用分集获取的形式，超宽带无线通信信号具有较高的抗衰弱能力，为定位、跟踪导航等多个方面提供高精度基础。

2.5 抗干扰和穿透能力强

超宽带信号的窄脉冲特性促进该技术具备较强穿透性，在人群、木板、墙壁等相关障碍物中持续传播，所以，针对非视距恶劣环境下的定位，具有良好的可行性。另外，超宽带具有较宽的频谱范围，促进超宽带无线通信信号发送端传输的过程中形成频率分集，在传播中对多种干扰因素呈现出较高的抵抗力，接收机能够更加安全稳定的接收，但是，该信号受到强窄带干扰的影响。

3 矿井下移动通信现状

矿井调度员、电机车司机、工作人员之间主要依靠矿井下移动通信联络的主要措施，在矿井生产安全、抢险救灾等多个方面发挥重要作用。无线移动通信系统是井下移动通信理想模式，在矿井下不同人员随时随地和通信对象保持及时畅通的联系。矿井下环境独特，对无线电波传播产生较大影响，如漏泄和中频感应通信等通过有线才能有效实现[3]。当前煤矿井下移动通信系统具有成本高、抗干扰能力差、携带不便、通信范围小、通信不顺畅等问题。

4 矿井下超宽带无线通信技术的应用

4.1 矿井下通信中的应用

Chirp信号呈现出较好的自相关性、匹配滤波之后独特的时域特性，Chirp信号超宽带无线通信在WLAN中的运用被广泛研究。增设Chirp信号带宽B和减少时间宽度T，Chirp信号在高速超宽带通信系统中有效应用。超宽带无线通信技术迅速发展，在Chirp信号该通信系统中，当传输速率为每秒1100MB的情况下，在室内衰落信道中设计距离大约在20m，速率不断降低的情况下，可以适当提高距离到150m或者之上，将其在矿井下应用，能够有效提供多种不同场合的无线接入服务，主要包含短距离高速和远距离低速通信两种类型。

4.1.1 短距离高速通信。矿井下短距离高速数据的传输主要在实现井下视频监测信号、机械设备故障监测、瓦斯突出情况下电磁辐射信号等多种信号的无线接入，所有信号需要较高的采样频率，同时主要针对移动地点和设备进行监测。如，矿井下煤层、岩层的离层视频监测，在实际操作过程中需要将移动或者相对特定的视频监测信息通过无线接入设备，通过矿井下综合传输网络，接入范围能够保持在几米、几十米内。当超宽带无线通信系统应用的过程中，该系统结构简单、低成本，在同样距离和功率的情况下，传输速率和其他无线系统相比较高，当蓝牙发射机在平均发射功率为1mW、速率保持每秒1Mb、工作距离保持10m的情况下，在高速数据传输中相对较勉强，但是3db带宽为5.53GHz、超宽带无线通信发射机发射功率为0.55mW，能够提供接近每秒200Mb的数据速率、同样覆盖范围，该种较小的发射功率针对矿井环境下的移动通信装置而言，有效延长电池使用时间。

4.1.2 远距离低速通信。矿井下远距离低速数据无线传送通常是指在大于100m的无线接入，一般用于矿井下移动电话、临时地点、工况和环境参数等监测等。超宽带无线通信技术和常规无线通信相同，提升发射功率，减小参数速率的过程中，能够有效实现远距离移动通信功能。矿井下不需要考量提高发射功率的过程中，对其他窄带系统产生的干扰，同时降低传输速率依然能够符合矿井下常规移动通信、数据传送对速率、距离的实际需求。但是，相关人员需要更多关注发射功率增加的过程中，依然保证相关机械设备符合矿井下安全生产的标准规定。如，某公司生产的Flex矿井下漏泄通信系统中采用无线调制解调器在主传输系统中接入数据，数据速率控制在每秒9600b之内，井下无线接入距离最大为100m。超宽带无线通信系统在同样通信距离的情况下，提供几兆、几十兆波特率的无线接入速率，和现有系统相比呈现出显著的使用性能优势。

4.2 矿井下人员定位中的应用

基于超宽带无线通信技术的矿井下人员定位系统主要包含井上服务器、监控主机、井下环网交换机、读卡器和识别卡等，在矿井下应用能有效实时监测和查询井下人员具体位置、分布情况和行驶线路等多个方面的信息，进一步保证矿井下工作人员安全。超宽带无线通信定位是由多个传感器采用TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）和AOA定位算法对标签位置进行分析，具有多径分辨能力、精度高、定位精度可达厘米级等特点。

4.2.1 dw1000提供数据帧收发时记录时间戳，这是能够进行两点间测距的基本条件，简单来说，通过计算数据在空中飞行时间×光速=数据飞行距离，从而测出两节点间的距离。

4.2.2 有了数据帧收发时间戳，那么就必须提供足够高的时钟精度，因为1ns的时间电磁波就传输了30cm，dw1000提供了LDE的微代码，通过PLL使得时钟达到了64G的频率，当然，这个时钟仅提供给LDE使用，使得dw1000具备了超高精度的时间戳，64G的时钟可以使得dw1000时钟分辨率为15.65ps。

4.2.3 在以上基础上，可以实现两点间测距的功能，那么如果需要实现定位呢，则需要一个终端分别和多个基站通信，分别得到终端与各个基站的距离，且，基站之间的位置与距离在部署前期通过测绘手段可以得到这些数据。从而得到了终端在这个定位系统中的位置，一般使用球面相交法，通过输入终端基站的距离，计算出精确的位置信息。

4.2.4 TOF测距方式。TOF即time of flight飞行时间，直译为飞行时间测距法。

这个方法最大的特点就是实现起来简单，最大的缺点就是精度低，既然是高精度定位，那么使用这种方法就不太合适了。

以上测距方式理论上是说得过去的，但是其中存在几个影响测距精度的因素：

4.2.4.1 当设备B在T2时刻收到POLL后需要等待一个固定的时间Tdelay然后在T3时刻发出RESPONSE数据包，那么，问题出现了，我们在此处讲的Tdelay是一个绝对时间单位，比如3000us，但是A，B设备都有自己的时钟源，并且要命的是时钟源的存在自我偏差，俗称PPM，比如：我们想Tdelay=3000us，但是由于时钟源的偏差问题，导致真实时间过去了3000.5us，可是在设备A端进行计算的时候还是按照3000us的Tdelay进行计算，那么，因为时钟源的偏差引入的0.5us的时间就被错误地当作数据飞行的时间了。这样导致的结果就是，两设备A,B的真实距离为1m，结果测试得到的距离为2.5m。

4.2.4.2 Tdelay必须要事先双方约定好。不能有丝毫的差异，这对于设备B来说有些苛刻，因为有时候设备B可能在Tdelay时间内无法将数据从芯片取出分析然后将要返回的RESPONSE数据包送入芯片内，并让芯片在T3时刻发送出去。出现这样的情况将会导致测试失败。

4.2.5 TW_TOF测距方式。基于上述TOF的缺陷，引入了TW_TOF这种测距方式，用于消除TOF的不良影响。

4.3 矿井辅助运输装备监测中应用

超宽带定位系统精度测试应用4个基站加一个标签方式，都应用DWM1000定位模块，标签借助USB连接ROS智能小车，设置基站是TWR算法的主动发射端，小车标签成为被动接收端。基站A主要借助USB连接上位机，如笔记本电脑，测试环境为6×6（m）矩形环境，坐标系主要是人为定义坐标系，基于超宽带定位系统的数据传送，遵守相关协议，数据应用16进制方式传送，上位机接收到串口数据之后需要针对原始数据实行进制转换，如表1所示经过格式转变后测试数据表。根据测试数据分析，在无干扰环境下，超宽带定位系统的测距平均误差、定位平均误差都在10cm之内，和传统定位系统相比有效提高定位精度，更加符合井下辅助运输装备的高精度定位需求。