矿井宽带无线信道小尺度衰落特性分析

矿井宽带无线信道小尺度衰落特性分析

【摘要】现有的矿山通信系统分为有线与无线系统，前者是以线缆为媒介的通信形式，因其抗干扰力强、信号传输稳定的特点，长期以来一直是为矿山通信的重要形式，同时利用光纤等成熟技术很容易实现宽带化升级改造。但是，根据矿山生产实际情况，特别是井下生产特点，有线通信系统存在着许多局限性，如架线繁杂，缺乏灵活性，易受损，影响着系统有效运行。所以，大力发展矿井无线通信技术，是矿井通信的现实需求和未来发展方向。

【关键词】矿井通信；信号传输；技术先进；经济合理；大尺度衰落；小尺度衰落

0 引言

近些年，随着“数字矿山”建设的稳步推进，对承载传输信息的矿山通信系统提出更高的要求。也就是说，现有的矿山通信系统，即单纯的话音和简单监测监控数据传输的矿山窄带通信系统已无法满足这种发展要求，矿山通信系统的宽带化（也就是高传输速率、大传输容量、低误码率、高实时性）已是发展的趋势。

1 矿井无线信道传播特性

1.1 大尺度衰落

当移动接收端在大的距离范围（一般的距离为大于几十个波长的范围）内移动时，由于机车、风门、立柱、综采机等障碍物对电波的遮挡所造成的电磁波传播阴影而引起的衰落，通常称为阴影衰落。这种衰落现象表现为，平均接收信号场强中值的变化，因此也称之为长期衰落或大尺度衰落。大尺度衰落主要受发射机和接收机之间的距离和周围的地物环境的影响。

1.2 小尺度衰落

电磁波信号在巷道环境中传播，大量的反射分量和散射分量造成了电磁波多路径传播，是矿井无线信道信号传输的主要形式，当移动台在一个小的范围内（一般小于几十个波长距离）运动时，引起接收信号的幅度、相位和到达角度的快速起伏变化，这种衰落通常称之为小尺度衰落。它是信号多径传播衰落现象最为直接的表现结果。

2 矿井宽带无线信道小尺度衰落特性

2.1 描述小尺度衰落的参数

描述矿井无线信道三组参数为：时延扩展（相关带宽），多普勒扩展（相关时间）和角度扩展（相关距离）。它们可以用包络相关函数来确定。包络的相关

函数定义为：

ρ（△f，△t，△z）

式中：〈〉表示取集平均，r表示在频率f1时间t1空间z1处的接收信号包络，r表示在频率关时间t2空间z2处的接收信号包络，其中：

△f=|f1-f2|，△t=|t1-t2|，△z=|z1-z2|

通过包络相关函数的值可以来反映信道的相关度，下述各个相关度的确定均与此函数有关。

（1）时延扩展和相干带宽

时延扩展和相干带宽描述了矿井信道的频率选择特性。时延扩展是电磁波反射及散射传播路径叠加引起的现象，而相干带宽Bc是从均方根时延扩展τrms 得出的一个确定关系值。相干带宽是一定范围内的频率的统计测量值，是建立在信道是平坦（即在该信道上，所有谱分量均以几乎相同的增益及线性相位通过）的基础上。或者说在某一频率范围内其任意两个频率分量有很强的幅度相关性。频率间隔大于Bc的两个正弦信号受信道影响大且不相同。如果定义相干带宽为频率相关函数大于0.5的某特定带宽，则矿井信道的相干带宽近似为Bc=1/5τrms。

（2）多普勒扩展和相干时间

矿井无线信道的时变特性，也就是时间选择性，主要由两个参数来描述，即多普勒扩展和信道相干时间。先介绍与多普勒扩展相关联的概念一多普勒频移。

多普勒频移fd是由于电磁信号传输过程中，移动的接收机和发射机之间存在相对运动，或者是在传输信道中物体的运动，使得每一个多径波都经历了明显的频移过程，从而使得接收机信号频率谱发生偏移。多普勒频移fd和移动体的运动速度v、运动方向以及接收信号多径波的入射角有关。

fd=v·cosθ/λ，（λ=c/f）

其中，c为光速，f发送信号的频率。多普勒频移fd是信道多普勒效应的具体表现形式。当发送频率为f的单频信号时，接收信号的频谱在f-fd至f+fd范围内存在分量。多普勒频移fd的最大变化范围就是信号的多普勒频率扩展。多普勒扩展BD是移动无线信道的时间变化率的一种量度，其被定义为一个频率范围，在这个范围内接收的信号有非零值。

（3）角度扩展和相关距离

角度扩展描述了信号功率谱在空间上的色散程度，也就是信道的空间选择特性。根据矿井环境的不同，角度扩展在[0，2π]之间分布。角度扩展越大，表明

散射环境越强，信号在空间的散射度越高。相反，角度扩展越小，表明散射环境越弱，信号在空间的色散度越低。相关距离是与角度扩散相对应的概念。相关距离是信道冲激响应具有一定相关度的空间间隔。相关距离内，可以认为信道空间传输函数是平坦的。

2.2 矿井信道小尺度衰落分析

（1）在频域，信号的不同频率成分在矿井传输中表现出不尽相同的接收效果，也就是矿井信道像频率滤波器一样对于信号产生选择性响应，即是矿井无线信道的频率选择性。使得矿井无线信道表现为两种衰落形式—平坦衰落和频率选择性衰落。

由于信道时间色散所引起的多径时延扩展，它分别引起两种不同类型的短期衰落。当矿井无线信道的相干带宽尺大于发送信号的带宽筑，且在带宽范围内有恒定增益及线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。此时，信道使发送信号的频谱特性在接收端仍保持不变。平坦衰落信道增益最常见的幅度分布为瑞利分布（Rayleigh）。经历平坦衰落的条件如下：

Bs>Tm

其中Ts为信号周期，Tm为最大信道时延扩展。

如果矿井无线信道相干带宽及小于发送信号带宽筑，则会导致接收信号产生频率选择性衰落。此时，接收信号中各频率成分经历了不同衰减，因而接收信号产生了失真。这样的矿井信道就会引起符号间干扰。也就是信号产生频率选择性衰落的条件是：Bs>Bc等同于Ts（2）在时域，矿井信道对于传输信号的影响表现为变化速率的快慢，也就是矿井信道时间选择性，具体表现为两种衰落形式—快衰落和慢衰落。

快衰落和慢衰落信道是根据基带信号的变化与信道的变化速率相比来划分的。当矿井信道的相干时间Tc比发送信号的信号周期Ts短时，信道冲激响应在信号周期内变化很快，也就是使得传输信号特征（幅度、相位等）快速的变化，称为信道的快衰落。

Ts>Tc等同于Bs当矿井信道的相干时间Tc远远大于发送信号的信号周期Ts时，信道冲激响应变化率比发送的基带信号变化率低得多，也就是传输信号特征变化平缓，则称为信道慢衰落。所以信号经历慢（下转第19页）（上接第6页）衰落的条件是Ts>BD。

（3）在空域，矿井信道中多径传输现象会使信号在到达接收端时以不同的方向入射，产生角度扩展。角度扩展的存在会使多径信号的衰落受到接收天线位置的影响，形成矿井空间选择性衰落。

一般来说，在矿井窄带无线通信中，使用的是单天线系统，信号主要受到频