第27卷第3期徐州工程學院學報(自然科學版2012年9月VoL. 27 No. 3Journal of Xuzhou Institute of Technology (Natural Sciences Edition)Sep.2012空分多址技術在煤礦通信中的應用前景徐永剛,王丹(中國礦業(yè)大學信電學院,江蘇徐州221008)摘要:空分多址(SDMA)技術是智能天線技術的集中體現(xiàn),該技術通過用戶空間特征的差異,用陣列天線實現(xiàn)同一信道中多個用戶的同步通信,同時把通信系統(tǒng)可利用的資源擴展到空間域.空分多址技術通過信號不同的空間傳播路徑來區(qū)分用戶,并且該技術又可以與其他的多址方式相互兼容.使用這種技術可以大大提高通信系統(tǒng)的功能,煤礦井下無線通信是一個技術難度較大的課題,巷道條件對電磁波傳輸影響很大,并且電磁波在礦井巷道和工作面內(nèi)的傳播是非自由空間,存在嚴重的多徑衰落現(xiàn)象.SDMA技術應用中有減小多徑效應的功能,將其應用在煤礦井下會給未來煤礦井下通信質(zhì)量的提高和改善帶來巨大突破關鍵詞:空分多址;智能天線;通信系統(tǒng);煤礦中圖分類號:TN929.5文獻標識碼:A文章編號:1674358X(2012)030051-05煤礦安全一直是煤礦生產(chǎn)中最受關注的問題.然而煤礦通信系統(tǒng)對于采煤生產(chǎn)來說同樣至關重要,煤礦通信系統(tǒng)分為礦區(qū)地面通信系統(tǒng)和煤礦井下通信系統(tǒng)兩部分,隨著地面現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展,礦區(qū)地面的通信系統(tǒng)很穩(wěn)定且可靠,逐步實現(xiàn)了數(shù)字化、程控化、網(wǎng)絡化.煤礦生產(chǎn)基本都是在地下進行的,環(huán)境不同于地面,一切都在人的控制和監(jiān)測范圍,井下的環(huán)境比較復雜,機車人員活動頻繁,巷道狹小,環(huán)境惡劣故而使得煤礦井下巷道和巖層的電磁特性更加復雜.在這種充滿發(fā)射波和反射波的傳播環(huán)境下,數(shù)據(jù)在信道中傳輸時會產(chǎn)生嚴重的碼間干擾,繼而限制了無線通信空分多址技術及智能天線的發(fā)展為通信系統(tǒng)的改善帶來了很多的新方法和解決思路.智能天線匯聚了已有的多址(FDMA、TDMA、CDMA)方式,又將第四種多址方式—SDMA(空分多址)納入應用,從而增加了容量.智能天線的本質(zhì)用戶2用戶1是采用自適應的方法對應用空間進一步的開發(fā)和利用.其主要利用空間位置的不同來區(qū)分不同的用戶,即150使在相同的頻率、相同地址碼或相同時隙的情況下,仍然可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑來區(qū)分,從而支持多址的通信完成多個用戶間的有效分離.理想的SDMA能夠為每個用戶提供獨立的空間信道,根據(jù)用戶在空間傳播的不同路徑同時對多個移動用戶進行波210束跟蹤,如圖1所示,SDMA為多個用戶提供多址通信.用戶3SDMA的這種增加信道容量的方式與其他的240300CDMA等多址技術的方式完全兼容2,智能天線的這270一優(yōu)點使得系統(tǒng)的容量增大,同時系統(tǒng)的抗干擾能力圖1SDMA為每個用戶建立空間信道和頻譜的利用率都會得到進一步的提高,SDMA為解收稿日期:2011-1225作者簡介:徐永剛(1977-),男,四川平昌人,講師,博士,碩士生導師,主要從事智能信息處理及通信軟件平臺方面的研究51徐州工程學院學報(自然科學版)2012年第3期決當前移動通信系統(tǒng)中的關鍵技術和問題提供了新的技術支持和新的解決方案1空分多址技術1.1空分多址技術的研究背景智能天線也叫自適應陣列天線,它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡.它通過滿足某種準則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號的加權幅度和相位,從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀,達到增強所需信號抑制干擾信號的目的.智能天線技術適宜于TDD方式的CDMA系統(tǒng),能夠在較大程度上抑制多用戶干擾,提高系統(tǒng)容量.但是由于存在多徑效應,每個天線均需一個Rake接收機,從而使基帶處理單元復雜度明顯提高.智能天線通常包括多波束智能天線和自適應陣智能天線.智能天線最初廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領域,由于價格等因素直未能普及到其它通信領域近年來,現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術發(fā)展迅速,數(shù)字信號芯片處理能力不斷提高,芯片價格已經(jīng)可以為現(xiàn)代通信系統(tǒng)所接受.同時,利用數(shù)字技術在基帶形成天線波束成為可能,以此代替模擬電路形成天線波束的方法,提高了天線系統(tǒng)的可靠性與靈活程度,智能天線技術因此開始在移動通信中得到應用.另一方面移動通信用戶數(shù)增加迅速,人們對移動通話質(zhì)量的要求也不斷提高,這要求蜂窩小區(qū)在大容量下仍有高的話音質(zhì)量.使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復雜度的情況下滿足服務質(zhì)量和擴充容量的需要.不同于常規(guī)的扇區(qū)天線和天線分集方法,通過在基站使用全向收發(fā)智能天線,可以為每個用戶提供一個窄的定向波束,使信號在有限的方向區(qū)域發(fā)送和接收,充分利用了信號發(fā)射功率,降低了信號全向發(fā)射帶來的電磁污染與相互干擾.不同于傳統(tǒng)的時分多址(TDMA)頻分多址(FDMA)或碼分多址(CDMA)方式,智能天線引人了SDMA方式,在時隙、頻率或地址碼都相同的情況下,用戶仍可以根據(jù)信號不同的空間傳播路徑而區(qū)分1.2空分多址技術的概念SDMA體制使用陣列天線,通過在角度域上提供的虛信道來控制空間.空分多址技術是在一個小區(qū)內(nèi)使用相同的時隙、相同的工作頻率和相同的擴頻碼,通過不同的波束為眾多用戶服務.SDMA通過用陣列天線來提供對空間的動態(tài)控制,從而增加了一個維度.圖2中所示,不同方向上的移動臺(MS)、基站(BS)采用陣列信號處理技術形成了具有不同指向的波束來分別與各移動臺進行通信,從而實現(xiàn)了空分多址空分多址技術的基本思想是使能量沿著各個用戶方向傳輸MSi般情況下,移動的速度取決于用戶的移動速率和空間位置,故而MS口在基站一側(cè)所接收到用戶信號的DOA、多徑等特征和多普勒頻移MSN也就不相同.空分多址技術就是利用存在的這些特征差異,根據(jù)陣列天線在不同用戶方向上形成的定向波束,同時在同一個信道上發(fā)送和接收多個用戶的信號且不發(fā)生互相干擾的情況下實現(xiàn)了它的功能3.并且空分多址技術使得通信資源不再局限在時間和頻率域,而是已經(jīng)拓寬到了空間域.這也是SDMA的最大不同之處個非常理想的空分多址系統(tǒng)可以為每個用戶形成不同的波圖2空分多址示意圖束,使用戶始終處于波束的中心,通過基站跟蹤用戶的具體位置來實現(xiàn).即用戶可以使用同一時間同一信道實現(xiàn)雙向通信.SDMA有自適應多波束形成和固定多波束切換這兩種工作方式,這種多波束可以提高通信系統(tǒng)的信噪比和誤碼率從而可以提高系統(tǒng)的整體容量.同時SDMA可以自適應地調(diào)節(jié)天線增益,從而較好的解決遠近效應1.3智能天線的工作原理智能天線包括射頻天線陣列部分和信號處理部分,其中信號處理部分根據(jù)得到的關于通信情況的信息,實時地控制天線陣列的接收和發(fā)送特性這些信息可能是接收到的無線信號的信息,在使用閉環(huán)反饋的形式時,也可能是通信端關于發(fā)送信號接收情況的反饋信息.把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元,按一定的方式排列,構(gòu)成天線陣列構(gòu)成陣列的陣元可按任意方式排列,通常是按直線等距、圓周等距或平面等距排列,其間距通常取工作波長的一半,并且取向相同.智能天線系統(tǒng)由天線陣列部分、陣列形狀、模數(shù)轉(zhuǎn)換等幾部分組成,如圖3所示.實際智能天線結(jié)構(gòu)比圖3要復雜,因為圖3中表示的是單個用戶·52·徐永剛,等:空分多址技術在煤礦通信中的應用前景情況,假如在一個小區(qū)中有K個用戶,則圖3中僅天線陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分可以共用,其余自適應數(shù)字信號處理器與相應的波束形成網(wǎng)絡需要每個用戶一套,共K套.以形成K個自適應波束跟蹤K個用戶,被跟蹤的用戶為期望用戶,剩下的(K-1)均為干擾用戶,智能天線可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益在干擾源的方向降低增益.因此,智能夭線系統(tǒng)的應用可以帶來提高系統(tǒng)容量、減小衰減、抗干擾能力較強、實現(xiàn)移動臺定位、增強網(wǎng)絡管理能力等好處天線陣模數(shù)轉(zhuǎn)換波束形成網(wǎng)絡本地參考信號Aa2(o) aDiN wyY(r)轉(zhuǎn)〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓≥〓Es(c)自適應算法信號入射角數(shù)字信號處理器自適應數(shù)字信號處理器圖3智能天線原理圖2煤礦井下的通信技術及存在問題現(xiàn)代化煤炭工業(yè)的發(fā)展,需要髙效安全穩(wěn)定的煤礦信息通信系統(tǒng).提岀并實現(xiàn)安全可靠的煤礦通信系統(tǒng)對于煤礦的安全生產(chǎn)及井下工人的生命安全具有極大的保障和重大的現(xiàn)實意義,然而井下電磁波環(huán)境十分復雜,空間受限、非視距傳播和多徑衰落以及機電噪聲的影響使得井下通信質(zhì)量難以保證.多年來煤礦井下通信技術的發(fā)展大大于落后地面通信技術的發(fā)展2.1煤礦井下無線信道特征礦井無線通信系統(tǒng)的設計離不開對礦井信道特性的研究,作為一種空間受限、傳輸路徑呈不規(guī)則導管狀的傳輸信道,有著與地面一般無線信道的共性的方面,也有自身獨特的形狀煤礦井下的通信存在多徑傳播現(xiàn)象明顯,發(fā)射機和接收機之間的障礙物及井下復雜的環(huán)境會造成頻繁的發(fā)生折射、反射、散射現(xiàn)象等,致使到達接收機的信號是由多個路徑的信號合成,產(chǎn)生多徑效應,而且井下環(huán)境特殊,電磁波傳輸?shù)木嚯x僅百米,故接收點的信號也十分微弱.在煤礦井下接收機接收到的信號為時變信號且井下機電噪聲干擾比較大時,井下電磁波多徑衰落比較嚴重2.2煤礦井下通信研究現(xiàn)狀及存在問題由于井下無線環(huán)境十分惡劣,井下無線通信是一個技術難度較大的課題.首先,巷道條件對電磁波傳輸影響很大.電磁波在礦井巷道和工作面內(nèi)的傳播是一非自由空間,存在嚴重的多徑衰落現(xiàn)象;其次,巷道和工作面頂?shù)装宕嬖谄鸱?并且在水平方向根據(jù)煤層和巖層的走向變化會形成各種彎度,非視距的無線通信大大降低了無線信號的傳輸距離;再次,無線電波(尤其是短波和超短波)在井下傳播受到的傳輸衰減很大,天線的發(fā)射效率很低.井下機電設備配置量很大、功率高、啟動頻繁,所產(chǎn)生的電氣噪聲頻譜寬、電平高,對有用信號的影響巨大,這使得井下通信更加困難電磁波在礦井巷道中傳播衰耗嚴重,無線通信距離短,已成為制約有效實現(xiàn)礦井巷道中無線通信的瓶頸問題隨著通信技術的發(fā)展與國家對礦山數(shù)字化、網(wǎng)絡化的推進工作以及對煤礦生產(chǎn)安全的高度重視,煤礦的通信技術通訊條件水平得到了很大的提高.煤礦井下無線通信技術大量興起,井下的通訊設備由最初的防爆電話演變?yōu)楝F(xiàn)在廣泛使用的移動通信設備和系統(tǒng),用戶可攜帶手機隨時隨地進行井下工作的溝通和安排,為煤礦的生產(chǎn)提供了方便,同時工作效率大大得到了提高.下一代網(wǎng)絡WLAN的發(fā)展為通信技術發(fā)展的主·53徐州工程學院學報(自然科學版)2012年第3期流,尤其是無線通信技術 Zigbee和Wi-Fi技術在煤礦中的應用會越來越廣泛,最終在煤礦將形成電纜與光纜、固定與移動、有線和無線相混合的大容量、多信道、多功能的全覆蓋移動通信網(wǎng)絡下一代網(wǎng)絡采用2.4GHz頻率傳輸,帶寬最高可達54Mb/s,在家庭、企業(yè)內(nèi)部可用于數(shù)據(jù)傳輸.此系統(tǒng)有著極高的傳輸速率,且協(xié)議公開,很適合作為下一代通訊系統(tǒng)的平臺.目前已有廠家在此技術領域展開研究,發(fā)展應用于煤礦井下的WLAN無線通信系統(tǒng).井下WLAN無線通信系統(tǒng)可解決井下用戶的語音通訊、人員定位問題,并且井下無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,組網(wǎng)靈活,使用范圍廣泛,方便煤礦的人員管理和環(huán)境監(jiān)測目前針對煤礦用戶存在的通訊不暢、系統(tǒng)繁多、維護復雜等安全隱患難題,從根本上解決有很大困難煤礦井下的通信存在多徑傳播現(xiàn)象明顯,空間和環(huán)境復雜,同時電磁波多徑衰落比較嚴重.無線傳輸效率大大降低,解決這個問題迫在眉睫,也是解決井下無線傳輸?shù)年P鍵3空分多址技術在煤礦井下的應用及優(yōu)勢與多址技術結(jié)合的方式是一種新的思路和方法,目前一些礦區(qū)的信息通信系統(tǒng)只是為一種應用來設計的,但是下一代通信系統(tǒng)會將多種功能和應用結(jié)合在一起.為了達到高速率并且具有足夠的能力克服煤礦井下通信系統(tǒng)中的信道多徑效應、多種調(diào)制方式兼容性以及衰落的影響等問題,考慮到SDMA技術的優(yōu)點,可以嘗試將SDMA技術應用在煤礦通信系統(tǒng)中3.1空分多址技術的優(yōu)勢智能天線在移動通信中的用途主要包括抗衰落、抗干擾、增加系統(tǒng)容量以及移動臺的定位.空分多址技術的優(yōu)勢在移動通信中的優(yōu)勢很明顯,煤礦井下的通信比井上更復雜,環(huán)境更惡劣,因此更需要好的通信來保證井下生產(chǎn)安全有效的進行1)抗衰落性:采用智能天線控制接收方向,天線自適應地構(gòu)成波束的方向性,使得延遲波方向的增益最小,減少信號衰落的影響.智能天線還可以用于分集,減少衰落2)抗干擾性:高增益、窄波束智能天線陣用于 WCDMA基站,可減少移動臺對基站的干擾,改善系統(tǒng)性能.抗干擾應用的實質(zhì)是空間域濾波.增加系統(tǒng)容量:為了滿足移動通信業(yè)務的巨大需求,應盡量擴大現(xiàn)有基站容量和覆蓋范圍.要盡量減少新建網(wǎng)絡所需的基站數(shù)量,就必須通過各種方式提高頻譜利用效率.方法之一是采用智能天線技術,用多波束板狀天線代替普通天線4)實現(xiàn)移動臺定位:目前蜂窩移動通信系統(tǒng)只能確定移動臺所處的小區(qū).如果基站釆用智能天線陣,旦收到信號,即對天線元所連接收機產(chǎn)生的響應作相應處理,獲得該信號的空間特征矢量及矩陣,由此獲得信號的功率估值和到達方向,即用戶終端的方位3.2空分多址技術對于多徑效應的處理基于空分多址技術的眾多優(yōu)點,將其應用在煤礦井下具有很好的發(fā)展前景.多徑傳播會引起時延擴展,采用空分多址技術可以通過它形成的定向波束改變其它方向因時延帶來的信號,故而利用空分多址技術可以對煤礦井下信道中的多徑效應問題有很好的解決和改善.針對多徑傳播引起的干擾,接收機需采用基于逆濾波的均衡技術或者基于時間分集技術的接收機,才可以保障系統(tǒng)的容量.多徑效應的存在使得CDMA通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接收問題愈發(fā)復雜,不僅僅要考慮接收位置和傳播信道的不同,還要考慮到任意所需要的有用信號和噪聲信號的所有支路增益和支路相關情況.智能天線陣輸出信干噪比(SINR)的累積分布函數(shù)(CDF)都是非常有用的統(tǒng)計量,對其進行近似分析,針對不同的調(diào)制方式,在相干平坦衰落和多徑干擾存在及概率密度函數(shù)已知的情況下,可以分析得出天線陣列最佳合成器的誤碼率性能.在這種情況下信號受外界的干擾會變小,從而有利于信號的發(fā)送和接收.同時SDMA技術可以不必對發(fā)送功率嚴格要求,從而使系統(tǒng)更容易實現(xiàn)但是在移動臺高速運行時,SDMA技術不能克服由于多普勒效應所造成的信道惡化的問題.因此,它必須與其他一些抗干擾的數(shù)字處理技術如聯(lián)合檢測技術,DSP基帶信號處理技術,Rake接收技術等一起使用,才能達到最佳效果對于CDMA技術系統(tǒng)中的智能天線的研究已經(jīng)很多,其中將Rake接收機和智能天線結(jié)合在一起具有徐永剛,等:空分多址技術在煤礦通信中的應用前景很好的現(xiàn)實應用意義.發(fā)射機和接收機采用高精確度和高穩(wěn)定度的時鐘頻率源,以保證頻率和相位的穩(wěn)定性.但在實際應用中,存在許多事先無法估計的不確定因素,如收發(fā)時鐘不穩(wěn)定、發(fā)射時刻不確定、信道傳輸時延及干擾等,尤其在移動通信中,這些不確定因素都有隨機性,不能預先補償,只能通過同步系統(tǒng)消除.因此,在CDMA擴頻通信中,同步系統(tǒng)必不可少PN碼序列同步是擴頻系統(tǒng)特有的,也是擴頻技術中的難點CDMA系統(tǒng)要求接收機的本地偽隨機碼與接收到的PN碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全一致,否則就不能正常接收所發(fā)送的信息,接收到的只是一片噪聲.若實現(xiàn)了收發(fā)同步但不能保持同步,也無法準確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù).因此,PN碼序列的同步是CDMA擴頻通信的關鍵技術.不同的PN碼在一定的通信區(qū)域內(nèi)是唯一的,同時接收端和發(fā)射端預知,并且分集技術、智能天線技術與Rake接收機相結(jié)合形成最佳波束.在CDMA系統(tǒng)中更易于實現(xiàn)SDMA,主要源于用戶的地址碼是信號容易分離的特點在多徑傳播和高斯白噪聲下,CDMA系統(tǒng)最佳接收機是Rake接收機、智能天線與Rake接收機相結(jié)合,形成了性能更優(yōu)的時域和空域信息聯(lián)合相關接收機,利用多徑到達基站的時刻不同和到達的角度不同,構(gòu)成了空時匹配濾波器同時根據(jù)具體應用選擇不同的算法可以更好的解決設計中的問題,實現(xiàn)空分多址技術的應用.4結(jié)語本文對空分多址技術進行了具體的介紹和分析,同時考慮了其在煤礦井下無線通信系統(tǒng)中的應用及解決一些比較棘手的問題.隨著通信技術的發(fā)展,真正實現(xiàn)空分多址與其他多址技術的熟練應用,會為煤礦井下的通信質(zhì)量帶來巨大的改善和新的突破參考文獻[!]孫緒寶.無線通信智能天線算法的研究[D].上海:上海大學,2005[2]張國印,高飛,基于智能天線的 TD-SCDMA系統(tǒng)上行容量分析[門].通信技術,2008,41(2):117-19.[3]冉小英.礦井通信中單載波頻域均衡( SC-FDE)的應用研究[D].北京:北京交通大學,2008[4]路軍.CDMA移動通信系統(tǒng)中智能天線技術應用的研究[D].北京:北方交通大學,1998[5]李小強,胡健棟.未來移動通信系統(tǒng)中的智能天線技術[J].移動通信,1999,23(1):44-4′[6]錢月清. TD-SCDMA智能天線接收機原理研究[D].南京:南京郵電大學,2008[冂]王文星,楊彥從,王文華,正交頻分復用技術在煤礦通信系統(tǒng)的應用研究[冂].煤礦機電,2005(5):70-72.[8]石慶東,礦井無線傳輸特性研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2000On the Prospect of Application of Space-Division Multiple-AccessTechnology to Coal Mine CommunicationXU Yong-gang, Wang Dan(School of Information and Electronic Engineering. China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, ChinaAbstract: Space-Division Multiple-Access technology (SDMA) is the embodiment of smart antennaechnology. Taking advantage of the spatial difference of users, it uses antenna array to realize the commu-nication of multiple users in the same channel, and at the same time, the technology can expand the available resources of the communication system to the spatial domain The Sdma technology can distinguishusers by the different space propagation paths of signals, and is compatible with other Multi-access manner. Using this technology can greatly improve the function of the communication system. 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輯燕善俊55