矿井无线通信系统中电磁信号传输及通信网络设计

摘要

煤炭是我国最重要的能源之一,煤炭生产关乎我国的国计民生,随着煤炭生产自动化程度和信息化技术的提高,对矿井通信的要求也在逐渐提高。矿井无线通信技术在提高煤矿的工作效率、加强管理和提高安全性方面具有有线通信无法比拟的优势。而且随着我国煤炭资源的整合,煤炭行业进入了高速发展的快车道,煤矿企业的实力更加雄厚,对矿井无线通信也越来越重视。电磁信号在煤矿井下巷道里传输不仅会产生较大的传输损耗,更为主要的是会发生频繁地反射、散射和绕射现象,以致产生多径衰落,掌握电磁信号在煤矿井下巷道里的传输特性对矿井无线通信系统的开发和设计具有重要的意义。
　　本文首先通过对矿井无线通信系统的研究分析,并结合西山煤电集团杜儿坪矿和西铭矿电磁干扰测试结果,确定了UHF频段为矿井无线通信的频段,在研究分析UHF频段电磁信号在矩形直巷道、弯曲巷道里的传输损耗以及粗糙损耗、倾斜损耗的基础上建立了煤矿井下巷道中电磁信号路径传输损耗模型,并验证了模型的正确性,然后利用MATLAB软件仿真分析了频率、弯曲、截面、粗糙、倾斜、介电常数等因素对电磁信号传输损耗的影响。在研究煤矿井下巷道里电磁信号多径传输的过程中,通过分析比较确定了用Nakagami分布来描述矿井无线通信信道中小尺度快衰落多径信号的幅度分布,接着采用正弦波叠加法建立了Rician仿真过程,并用等距离法确定了Rician仿真过程中的参数,在Rician仿真过程的基础上采用逆变换法建立了Nakagami衰落信道仿真模型,并对信道衰落参数进行了分析,然后验证了模型的正确性,并采用MATLAB软件对电磁信号在巷道中的多径衰落进行了仿真。
　　最后在基于煤矿井下电磁信号传输特性及分析总结现有矿井通信网络缺陷的基础上,结合煤矿井下的实际情况,设计了矿井无线通信系统的网络结构,在链路预算分析的基础上得出了小区覆盖半径的计算方法,并分析了不同环境下的小区覆盖半径;利用载干比与小区重叠区的关系,得到了小区重叠区域长度的计算方法,同时对系统容量和基站设置进行了分析。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 矿井无线通信系统现状

1.3 研究目的与意义

1.4 国内外研究发展动态

1.5 论文的主要研究内容和结构

第二章 无线信道传输特性及建模方法

2.1 大尺度路径损耗模型

2.1.1 电磁波传输机制

2.1.2 自由空间传输模型

2.1.3 对数距离路径损耗模型

2.2 小尺度衰落模型

2.2.1 多径衰落的数学模型

2.2.2 小尺度衰落特性参数

2.3 本章小结

第三章 煤矿井下巷道中电磁信号路径传输损耗模型

3.1 频段的确定

3.2 矩形直巷道中电磁信号的传输损耗

3.3 矩形弯曲巷道中电磁信号的传输损耗

3.3.1 弯曲巷道中电磁信号的传输损耗

3.3.2 直拐角巷道引起的损耗

3.4 附加损耗

3.4.1 巷道表面粗糙引起的损耗

3.4.2 巷道壁倾斜引起的损耗

3.5 煤矿井下巷道中电磁信号路径传输损耗模型

3.6 模型验证

3.7 仿真分析

3.8 本章小结

第四章 矿井巷道多径信道模型

4.1 无线信道的冲激响应

4.2 多径幅度统计特性

4.2.1 Rayleigh分布

4.2.2 Rician分布

4.2.3 Nakagami分布

4.3 Nakagami衰落信道仿真模型

4.4 信道衰落参数

4.5 模型验证

4.6 仿真结果

4.7 本章小结

第五章 矿井无线通信系统网络设计

5.1 系统网络结构

5.1.1 无线网络结构

5.1.2 有线网络结构

5.1.3 矿井无线通信各主要设备

5.2 小区覆盖半径

5.2.1 链路预算

5.2.2 小区覆盖半径

5.3 重叠区域长度

5.4 系统容量

5.5 基站的设置

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

附录1 西铭矿缆车变频调速器电磁辐射频谱

附录2 西铭矿电力机车电磁辐射频谱

附录3 杜儿坪矿皮带驱动电机电磁辐射频谱

附录4 杜儿坪矿空压机电磁辐射频谱

附录5 西铭矿缆车电机电磁辐射频谱

附录6 西铭矿35KV变电站电磁辐射频谱

附录7 杜儿坪矿110KV变电站电磁辐射频谱

致谢

攻读硕士研究生学位期间发表学术论文