井下巷道无线电波传输规律的matlab仿真分析

井下巷道无线电波传输规律的matlab 仿真分析
题正义,贺爱萍,霍丙杰
(辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,辽宁阜新123000)
摘　要:在帐篷定律的基础上,建立起矩形巷道射线传输模型,介绍了各次射线传输距离的迭代
算法,并在此理论基础上利用matlab 仿真的手段对巷道中无线电波传输规律进行了研究,得出了有别于传统的重要结论:当频率升高时,时延扩展降低;时延扩展随距离增加而有所增加。

传统意义上的多径效应问题在巷道内反而成了信号增强和弯道传输的有效手段。

关键词:井下无线网络;巷道中的电磁波;射线追踪法;电波传输仿真
中图分类号:T D65+
3 文献标识码:B 文章编号:1003-496X (2008)08-0099-03 长期以来,巷道中无线电波传输困难一直是矿井下无线网络建设中存在的最大问题,这是因为电波在矿井巷道这个特殊的受限空间中的传输方式与其在地面自由空间有很大差异。

由于矿井情况复杂,地下巷道无线信道特征的研究仍然停留在理论分析和实验验证阶段,发展缓慢,远远不能满足矿井生产和安全管理的需要。

为此借鉴了地面利用仿真指导无线通信系统设计的思路,以矩形截面巷道为简化模型对无线电波在矿井巷道内的传播特性进行了研究。

1　无线信道仿真
以矩形巷道为例,根据反射波传输所遵循的帐
篷定律〔1〕
,对各次射线传输距离进行迭代计算,并通过实际仿真进行了分析。

1.1　巷道内电波传输特性分析方法
射线追踪法(Ray Tracing 法)广泛用于无线信道的仿真建模〔2-4〕。

其基本思想是用几何光学的方法确定多径信道中发射机和接收机之间可能存在的每一条路径,根据这些路径中的传输损耗、反射和折射次数及损耗、路径长短等来分析多径衰落的影响,进而仿真得出发射机与接收机之间信道的特性。

如图1、图2。

图1　
巷道多径模型
图2　实际巷道中射线模型
在图1简化模型中只考虑了平面内的各次反射线,但实际巷道是立体的,除在平面内的各次反射
外,更多的是从四壁反射螺旋前进的射线,如图2。

无论哪种模型,用Ray Tracing 法进行信道特性仿真必须跟踪收发信机之间每一条可能的射线,这就需要解决两个问题:
(1)从发射机发出的诸多射线中,哪些能到达接收机。

(2)能到达接收机的各条射线的传输距离如何计算。

帐篷定律给出了矩形巷道内无线射线传输所遵循规律:
(1)任一射线总是沿着水平入射面与垂直入射面的交线曲折前进。

(2)所有的水平入射面(垂直入射面)始终以相同的入射面角折叠前进。

由帐篷定律可知,任意给定一条从信号源发出
的射线,即知道了它的初始水平入射面角和垂直入
・
99・问题探讨 煤矿安全
(2008-08)
射面角,那么以后所有的反射情况都清楚了:只要画出这两组入射平面,它能否到达接收点以及路径长度的问题就都得到解决了。

1.2　传输距离和发射角推断
在信道仿真中,各次反射线的传输距离决定了传输时延,这对研究巷道内多径衰落特性是至关重要的。

假定巷道壁光滑,满足光的反射定律。

研究m +n 次反射线的折线路程时,不妨把m 次反射的垂直入射面(或n 次反射的水平入射面)沿z 轴方向拉伸成一个平面。

由于拉伸过程中,各反射面的形状、大小保持不变,因而各段矢量的长短也不改变。

将各垂直入射面(或水平入射面)拉伸成一个平面后如图3所示。

此时D 延伸至,假设拉伸而成的平巷道的高和宽均为b,发射点S 和接收点D
之间的直线距离为a,发射点和接收点离地面高度及距左右壁距离是相同的,设均为
b
2
,也就是在中轴线上。

再经过镜像处理,如图4,则射线从发射点经多次反
图3　m +n 次射线距离(1)
图4　m +n 次射线距离(2)
射到达接收点的折线路程为S ′D ′,θh 和θv 分别表示
水平入射角和垂直入射角。

m 表示射线在垂直入射面内的反射次数,n 表示射线在水平入射面内反射的次数。

在此基础上得到如下结论:
折线路程:S ′D ′=a 2
+(m +n )2
b
2(1)
入射角:当m ≠n 时,θv =tan -1
(
a 2
+(nb )
2
m b
θh =tan
-1
(
a 2+(m
b )
2
nb
当m =n 时,θ=tan -1
a
2m b
(此时θ在对角面
上)
(2)
1.3　仿真结果分析
(1
)相同频率不同距离的时延。

如图5所示,
随着距离的增加,对应
m ,n 相同值的相对时延扩展是逐渐减小的。

但是是否就可以认为总的信号时延扩展随着距离的增加就减小了呢?答案是否定的。

这正是与以往许多文献有别的地方。

原因是随着距离的增加,我们所要考虑的反射线的反射次数就相应地多了,因此总的时延扩展反而增加了。

(a )n =m =3
(b )n =m =4
图5　相同频率不同距离的时延关系
(2)相同距离不同频率的时延。

从图6中看到,在频率升高时,时延展宽明显地减少了。

而传统
结论却是为〔5〕
,“R MS 时延扩展与频率有很大的关系,频率越高,时延扩展越大”。

产生这种现象的原因是:随着频率的升高,散射系数减小了,也就是在相同粗糙程度下的巷道内传输时,高频电磁波受墙壁凹凸不平的影响小些。

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001・煤矿安全
(Total 405)
问题探讨
(a )F =2
GHz
(b )F =10GHz
图6　相同距离不同频率的时延关系
2　结　论
在传统意义上,由于多径效应存在,信号强度应
该衰减很快。

但通过试验研究,可以看到信号的强度在一定距离后,变化并不那么明显了,而是趋于相对稳定。

经过多次的仿真和现场数据测量,发现在转弯后一定距离内,信号强度变化并不是非常剧烈的。

产生原因便是:随着距离的增加,虽然最后总的时延展宽了些,但信号的强度衰减变弱了。

因此到达接收端的信号强度总体衰减变小。

在此,得到一个重要结论:传统意义上的多径效应问题在巷道内反而成了信号增强和弯道传输的有效手段。

据此,可以有效利用电磁波,在井底巷道中建设无线网络。

设计无线网络时可采用超高频段。

在这
个频段,时延展宽大约为8ns (1ns =10-9
s ),在接收
端图像和语音信号都不会出现大范围的重叠,从而使图像和声音效果比较清晰流畅。

参考文献:
〔1〕　张　申.隧道无线电射线传输规律的研究〔J 〕.电波科
学学报,2002(4):114-117.
〔2〕　Hashem i H,Tholl D.Statistical modeling and si m ulati on
of the R MS delay s p read of indoor radi o p r opagati on chan 2nels 〔J 〕.I EEE Net w ork Magazine,1994,43(1):110-119.
〔3〕　Seidel SY,Rappaport TS .A ray tracing technique t o p re 2
dict path l oss and delay s p read inside buildings 〔A 〕.
I EEE Gl obal Telecommunicati ons Conference 〔C 〕,1992:649-653.
〔4〕　Schauback KR,David NS,Rappaport TS .A ray tracing
method for p redicting path l oss and delay s p read in m icr o -cellular envir on ments 〔A 〕.Pr oc of the I EEE I nterna 2ti onal Conference on Vehicular Techn 〔C 〕,1992:932-935.
〔5〕　张跃平,张文梅,盛剑桓,等.宽带UHF 无电波在隧道
中的传播信道的特性〔J 〕.通信学报,1998(8):62-66.
作者简介:题正义(1957-),男,吉林舒兰人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为矿山系统工程。

(收稿日期:2007-12-17;责任编辑:梁绍权)
・国外煤矿安全信息・
保护层:理论、试验、实践
预防煤与瓦斯突出最有效的方法是超前开采保护层,改善卸压带中巷道的支护条件。

超前开采保护层有两个主要参数:层间层的岩石厚度M 和开采保护层工作面的超前距离L 。

该参数1939年在顿巴斯矿区采用。

以弹性理论为基础的“瞬息几何形状”作为核定标准,但是在修正参数时没有考虑到时间因素的影响。

许多专家提出了关于必须研究这个因素对保护效果影响的意见。

当今研究卸压时沉积岩体破坏的自然性质能够再一次重新评定开采保护层时层间岩体中发生的地质力学过程。

由于发生的复原变形使煤岩体空间结构变化,而呈现出消除煤层突出危险的条件。

就是这个过程促使有想象不到的煤岩体新性质-抽放瓦斯导致气体逸出,排除危险性。

排除突出危险的过程有时间性的,应力水平的降低是超前瓦斯抽放的结果。

摘自　《УГОЛЬУКРАИНЫ》　2007No .10
・
101・问题探讨 煤矿安全
(2008-08)。