空分多址技术在煤矿通信中的应用前景

第27卷第3期徐州工程学院学报(自然科学版2012年9月VoL. 27 No. 3Journal of Xuzhou Institute of Technology (Natural Sciences Edition)Sep.2012空分多址技术在煤矿通信中的应用前景徐永刚,王丹(中国矿业大学信电学院,江苏徐州221008)摘要:空分多址(SDMA)技术是智能天线技术的集中体现,该技术通过用户空间特征的差异,用阵列天线实现同一信道中多个用户的同步通信,同时把通信系统可利用的资源扩展到空间域.空分多址技术通过信号不同的空间传播路径来区分用户,并且该技术又可以与其他的多址方式相互兼容.使用这种技术可以大大提高通信系统的功能,煤矿井下无线通信是一个技术难度较大的课题,巷道条件对电磁波传输影响很大,并且电磁波在矿井巷道和工作面内的传播是非自由空间,存在严重的多径衰落现象.SDMA技术应用中有减小多径效应的功能,将其应用在煤矿井下会给未来煤矿井下通信质量的提高和改善带来巨大突破关键词:空分多址;智能天线;通信系统;煤矿中图分类号:TN929.5文献标识码:A文章编号:1674358X(2012)030051-05煤矿安全一直是煤矿生产中最受关注的问题.然而煤矿通信系统对于采煤生产来说同样至关重要,煤矿通信系统分为矿区地面通信系统和煤矿井下通信系统两部分,随着地面现有移动通信系统的迅猛发展,矿区地面的通信系统很稳定且可靠,逐步实现了数字化、程控化、网络化.煤矿生产基本都是在地下进行的,环境不同于地面,一切都在人的控制和监测范围,井下的环境比较复杂,机车人员活动频繁,巷道狭小,环境恶劣故而使得煤矿井下巷道和岩层的电磁特性更加复杂.在这种充满发射波和反射波的传播环境下,数据在信道中传输时会产生严重的码间干扰,继而限制了无线通信空分多址技术及智能天线的发展为通信系统的改善带来了很多的新方法和解决思路.智能天线汇聚了已有的多址(FDMA、TDMA、CDMA)方式,又将第四种多址方式—SDMA(空分多址)纳入应用,从而增加了容量.智能天线的本质用户2用户1是采用自适应的方法对应用空间进一步的开发和利用.其主要利用空间位置的不同来区分不同的用户,即150使在相同的频率、相同地址码或相同时隙的情况下,仍然可以根据信号不同的空间传播路径来区分,从而支持多址的通信完成多个用户间的有效分离.理想的SDMA能够为每个用户提供独立的空间信道,根据用户在空间传播的不同路径同时对多个移动用户进行波210束跟踪,如图1所示,SDMA为多个用户提供多址通信.用户3SDMA的这种增加信道容量的方式与其他的240300CDMA等多址技术的方式完全兼容2,智能天线的这270一优点使得系统的容量增大,同时系统的抗干扰能力图1SDMA为每个用户建立空间信道和频谱的利用率都会得到进一步的提高,SDMA为解收稿日期:2011-1225作者简介:徐永刚(1977-),男,四川平昌人,讲师,博士,硕士生导师,主要从事智能信息处理及通信软件平台方面的研究51徐州工程学院学报(自然科学版)2012年第3期决当前移动通信系统中的关键技术和问题提供了新的技术支持和新的解决方案1空分多址技术1.1空分多址技术的研究背景智能天线也叫自适应阵列天线,它由天线阵、波束形成网络.它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位,从而调节天线阵列的方向图形状,达到增强所需信号抑制干扰信号的目的.智能天线技术适宜于TDD方式的CDMA系统,能够在较大程度上抑制多用户干扰,提高系统容量.但是由于存在多径效应,每个天线均需一个Rake接收机,从而使基带处理单元复杂度明显提高.智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线.智能天线最初广泛应用于雷达、声纳及军事通信领域,由于价格等因素直未能普及到其它通信领域近年来,现代数字信号处理技术发展迅速,数字信号芯片处理能力不断提高,芯片价格已经可以为现代通信系统所接受.同时,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,以此代替模拟电路形成天线波束的方法,提高了天线系统的可靠性与灵活程度,智能天线技术因此开始在移动通信中得到应用.另一方面移动通信用户数增加迅速,人们对移动通话质量的要求也不断提高,这要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量.使用智能天线可以在不显著增加系统复杂度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要.不同于常规的扇区天线和天线分集方法,通过在基站使用全向收发智能天线,可以为每个用户提供一个窄的定向波束,使信号在有限的方向区域发送和接收,充分利用了信号发射功率,降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰.不同于传统的时分多址(TDMA)频分多址(FDMA)或码分多址(CDMA)方式,智能天线引人了SDMA方式,在时隙、频率或地址码都相同的情况下,用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分1.2空分多址技术的概念SDMA体制使用阵列天线,通过在角度域上提供的虚信道来控制空间.空分多址技术是在一个小区内使用相同的时隙、相同的工作频率和相同的扩频码,通过不同的波束为众多用户服务.SDMA通过用阵列天线来提供对空间的动态控制,从而增加了一个维度.图2中所示,不同方向上的移动台(MS)、基站(BS)采用阵列信号处理技术形成了具有不同指向的波束来分别与各移动台进行通信,从而实现了空分多址空分多址技术的基本思想是使能量沿着各个用户方向传输MSi般情况下,移动的速度取决于用户的移动速率和空间位置,故而MS口在基站一侧所接收到用户信号的DOA、多径等特征和多普勒频移MSN也就不相同.空分多址技术就是利用存在的这些特征差异,根据阵列天线在不同用户方向上形成的定向波束,同时在同一个信道上发送和接收多个用户的信号且不发生互相干扰的情况下实现了它的功能3.并且空分多址技术使得通信资源不再局限在时间和频率域,而是已经拓宽到了空间域.这也是SDMA的最大不同之处个非常理想的空分多址系统可以为每个用户形成不同的波图2空分多址示意图束,使用户始终处于波束的中心,通过基站跟踪用户的具体位置来实现.即用户可以使用同一时间同一信道实现双向通信.SDMA有自适应多波束形成和固定多波束切换这两种工作方式,这种多波束可以提高通信系统的信噪比和误码率从而可以提高系统的整体容量.同时SDMA可以自适应地调节天线增益,从而较好的解决远近效应1.3智能天线的工作原理智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分,其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息,实时地控制天线阵列的接收和发送特性这些信息可能是接收到的无线信号的信息,在使用闭环反馈的形式时,也可能是通信端关于发送信号接收情况的反馈信息.把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元,按一定的方式排列,构成天线阵列构成阵列的阵元可按任意方式排列,通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列,其间距通常取工作波长的一半,并且取向相同.智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成,如图3所示.实际智能天线结构比图3要复杂,因为图3中表示的是单个用户·52·徐永刚,等:空分多址技术在煤矿通信中的应用前景情况,假如在一个小区中有K个用户,则图3中仅天线阵列和模数转换部分可以共用,其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套,共K套.以形成K个自适应波束跟踪K个用户,被跟踪的用户为期望用户,剩下的(K-1)均为干扰用户,智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益在干扰源的方向降低增益.因此,智能夭线系统的应用可以带来提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等好处天线阵模数转换波束形成网络本地参考信号Aa2(o) aDiN wyY(r)转〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓≥〓Es(c)自适应算法信号入射角数字信号处理器自适应数字信号处理器图3智能天线原理图2煤矿井下的通信技术及存在问题现代化煤炭工业的发展,需要髙效安全稳定的煤矿信息通信系统.提岀并实现安全可靠的煤矿通信系统对于煤矿的安全生产及井下工人的生命安全具有极大的保障和重大的现实意义,然而井下电磁波环境十分复杂,空间受限、非视距传播和多径衰落以及机电噪声的影响使得井下通信质量难以保证.多年来煤矿井下通信技术的发展大大于落后地面通信技术的发展2.1煤矿井下无线信道特征矿井无线通信系统的设计离不开对矿井信道特性的研究,作为一种空间受限、传输路径呈不规则导管状的传输信道,有着与地面一般无线信道的共性的方面,也有自身独特的形状煤矿井下的通信存在多径传播现象明显,发射机和接收机之间的障碍物及井下复杂的环境会造成频繁的发生折射、反射、散射现象等,致使到达接收机的信号是由多个路径的信号合成,产生多径效应,而且井下环境特殊,电磁波传输的距离仅百米,故接收点的信号也十分微弱.在煤矿井下接收机接收到的信号为时变信号且井下机电噪声干扰比较大时,井下电磁波多径衰落比较严重2.2煤矿井下通信研究现状及存在问题由于井下无线环境十分恶劣,井下无线通信是一个技术难度较大的课题.首先,巷道条件对电磁波传输影响很大.电磁波在矿井巷道和工作面内的传播是一非自由空间,存在严重的多径衰落现象;其次,巷道和工作面顶底板存在起伏,并且在水平方向根据煤层和岩层的走向变化会形成各种弯度,非视距的无线通信大大降低了无线信号的传输距离;再次,无线电波(尤其是短波和超短波)在井下传播受到的传输衰减很大,天线的发射效率很低.井下机电设备配置量很大、功率高、启动频繁,所产生的电气噪声频谱宽、电平高,对有用信号的影响巨大,这使得井下通信更加困难电磁波在矿井巷道中传播衰耗严重,无线通信距离短,已成为制约有效实现矿井巷道中无线通信的瓶颈问题随着通信技术的发展与国家对矿山数字化、网络化的推进工作以及对煤矿生产安全的高度重视,煤矿的通信技术通讯条件水平得到了很大的提高.煤矿井下无线通信技术大量兴起,井下的通讯设备由最初的防爆电话演变为现在广泛使用的移动通信设备和系统,用户可携带手机随时随地进行井下工作的沟通和安排,为煤矿的生产提供了方便,同时工作效率大大得到了提高.下一代网络WLAN的发展为通信技术发展的主·53徐州工程学院学报(自然科学版)2012年第3期流,尤其是无线通信技术 Zigbee和Wi-Fi技术在煤矿中的应用会越来越广泛,最终在煤矿将形成电缆与光缆、固定与移动、有线和无线相混合的大容量、多信道、多功能的全覆盖移动通信网络下一代网络采用2.4GHz频率传输,带宽最高可达54Mb/s,在家庭、企业内部可用于数据传输.此系统有着极高的传输速率,且协议公开,很适合作为下一代通讯系统的平台.目前已有厂家在此技术领域展开研究,发展应用于煤矿井下的WLAN无线通信系统.井下WLAN无线通信系统可解决井下用户的语音通讯、人员定位问题,并且井下无线通信系统结构简单,组网灵活,使用范围广泛,方便煤矿的人员管理和环境监测目前针对煤矿用户存在的通讯不畅、系统繁多、维护复杂等安全隐患难题,从根本上解决有很大困难煤矿井下的通信存在多径传播现象明显,空间和环境复杂,同时电磁波多径衰落比较严重.无线传输效率大大降低,解决这个问题迫在眉睫,也是解决井下无线传输的关键3空分多址技术在煤矿井下的应用及优势与多址技术结合的方式是一种新的思路和方法,目前一些矿区的信息通信系统只是为一种应用来设计的,但是下一代通信系统会将多种功能和应用结合在一起.为了达到高速率并且具有足够的能力克服煤矿井下通信系统中的信道多径效应、多种调制方式兼容性以及衰落的影响等问题,考虑到SDMA技术的优点,可以尝试将SDMA技术应用在煤矿通信系统中3.1空分多址技术的优势智能天线在移动通信中的用途主要包括抗衰落、抗干扰、增加系统容量以及移动台的定位.空分多址技术的优势在移动通信中的优势很明显,煤矿井下的通信比井上更复杂,环境更恶劣,因此更需要好的通信来保证井下生产安全有效的进行1)抗衰落性:采用智能天线控制接收方向,天线自适应地构成波束的方向性,使得延迟波方向的增益最小,减少信号衰落的影响.智能天线还可以用于分集,减少衰落2)抗干扰性:高增益、窄波束智能天线阵用于 WCDMA基站,可减少移动台对基站的干扰,改善系统性能.抗干扰应用的实质是空间域滤波.增加系统容量:为了满足移动通信业务的巨大需求,应尽量扩大现有基站容量和覆盖范围.要尽量减少新建网络所需的基站数量,就必须通过各种方式提高频谱利用效率.方法之一是采用智能天线技术,用多波束板状天线代替普通天线4)实现移动台定位:目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区.如果基站釆用智能天线阵,旦收到信号,即对天线元所连接收机产生的响应作相应处理,获得该信号的空间特征矢量及矩阵,由此获得信号的功率估值和到达方向,即用户终端的方位3.2空分多址技术对于多径效应的处理基于空分多址技术的众多优点,将其应用在煤矿井下具有很好的发展前景.多径传播会引起时延扩展,采用空分多址技术可以通过它形成的定向波束改变其它方向因时延带来的信号,故而利用空分多址技术可以对煤矿井下信道中的多径效应问题有很好的解决和改善.针对多径传播引起的干扰,接收机需采用基于逆滤波的均衡技术或者基于时间分集技术的接收机,才可以保障系统的容量.多径效应的存在使得CDMA通信系统中的数据接收问题愈发复杂,不仅仅要考虑接收位置和传播信道的不同,还要考虑到任意所需要的有用信号和噪声信号的所有支路增益和支路相关情况.智能天线阵输出信干噪比(SINR)的累积分布函数(CDF)都是非常有用的统计量,对其进行近似分析,针对不同的调制方式,在相干平坦衰落和多径干扰存在及概率密度函数已知的情况下,可以分析得出天线阵列最佳合成器的误码率性能.在这种情况下信号受外界的干扰会变小,从而有利于信号的发送和接收.同时SDMA技术可以不必对发送功率严格要求,从而使系统更容易实现但是在移动台高速运行时,SDMA技术不能克服由于多普勒效应所造成的信道恶化的问题.因此,它必须与其他一些抗干扰的数字处理技术如联合检测技术,DSP基带信号处理技术,Rake接收技术等一起使用,才能达到最佳效果对于CDMA技术系统中的智能天线的研究已经很多,其中将Rake接收机和智能天线结合在一起具有徐永刚,等:空分多址技术在煤矿通信中的应用前景很好的现实应用意义.发射机和接收机采用高精确度和高稳定度的时钟频率源,以保证频率和相位的稳定性.但在实际应用中,存在许多事先无法估计的不确定因素,如收发时钟不稳定、发射时刻不确定、信道传输时延及干扰等,尤其在移动通信中,这些不确定因素都有随机性,不能预先补偿,只能通过同步系统消除.因此,在CDMA扩频通信中,同步系统必不可少PN码序列同步是扩频系统特有的,也是扩频技术中的难点CDMA系统要求接收机的本地伪随机码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致,否则就不能正常接收所发送的信息,接收到的只是一片噪声.若实现了收发同步但不能保持同步,也无法准确可靠地获取所发送的信息数据.因此,PN码序列的同步是CDMA扩频通信的关键技术.不同的PN码在一定的通信区域内是唯一的,同时接收端和发射端预知,并且分集技术、智能天线技术与Rake接收机相结合形成最佳波束.在CDMA系统中更易于实现SDMA,主要源于用户的地址码是信号容易分离的特点在多径传播和高斯白噪声下,CDMA系统最佳接收机是Rake接收机、智能天线与Rake接收机相结合,形成了性能更优的时域和空域信息联合相关接收机,利用多径到达基站的时刻不同和到达的角度不同,构成了空时匹配滤波器同时根据具体应用选择不同的算法可以更好的解决设计中的问题,实现空分多址技术的应用.4结语本文对空分多址技术进行了具体的介绍和分析,同时考虑了其在煤矿井下无线通信系统中的应用及解决一些比较棘手的问题.随着通信技术的发展,真正实现空分多址与其他多址技术的熟练应用,会为煤矿井下的通信质量带来巨大的改善和新的突破参考文献[!]孙绪宝.无线通信智能天线算法的研究[D].上海:上海大学,2005[2]张国印,高飞,基于智能天线的 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The wirelesscommunication technology is a quite difficult study in coal mine fields. In the coal mine, the multipath fa-ding phenomenon is severe. The SDMA can effectively improve and reduce this multipath fading phenomenon. Its application in underground mines will bring huge breakthrough to the quality improvement of fu-ture underground mine communication.Key words: space-division multiple-access; smart antenna; communication system; coal mine辑燕善俊55