采煤工作面无线传感器网络的无线通信信道建模

第 23卷 第 5期 2010年 5月 传 感 技 术 学 报 CH INESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Vol. 23　No. 5 May 2010 项目来源 :高校博士点基金新教师项目资助课题资助 (200802901507) ;江苏省博士后科研资助 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目资助 (0801028B) 收稿日期 : 2009 - 10 - 26　　修改日期 : 2010 - 01 - 06 W ireless ChannelM odeling in Underground Coal Face W ireless Sensor Network 3 ZHOU L ijuan, CHEN Guangzhu3 , LUO Chengm ing ( School of M echanica l & Electrical Engineering, China U niversity of M ining & Technology, X uzhou J iangsu 221008, China) Abstract: Coal face wireless sensor network is helpful in environmentalmonitoring and automatic control of m ining e2 quipment, and wireless communication is a key factor affecting the coal face working performance of wireless sensor networks. This paper firstly p roposed coal face wireless sensor network system structure, then analyzed communication loss factors in underground wireless such as coal2rock structure, machine noise and other factors, built coal face wire2 less communication channel model. Finally made model simulation analysis, and compared with measured data, re2 sults show that the model matches measured data well, which built foundation for coal face wireless sensor network. Key words: wireless network; coal face; communication; mechanical noise; model EEACC: 7230; 6150P 采煤工作面无线传感器网络的无线通信信道建模 3 周莉娟 ,陈光柱 3 ,罗成名 (中国矿业大学机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 ,江苏 徐州 221008) 摘 　要 :采煤工作面无线传感器网络有助于采煤工作面环境监测与采矿设备的自动化控制 ,而无线通信是影响采煤工作面无 线传感器网络工作性能的关键因素。本文首先提出采煤工作面无线传感器网络系统结构图。其次分析采煤工作面煤岩层结构、 机器噪声等因素对井下无线通信损耗的影响 ,建立了采煤工作面的无线通信信道模型。最后对模型进行仿真分析 ,并与实测数 据相比较 ,结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,所建立的无线通信信道模型与实测数据有较好的匹配 ,为构建采煤工作面无线传感器网络奠定了基础。 关键词 :无线传感器网络 ;采煤工作面 ;无线通信 ;机器噪声 ;信道模型 中图分类号 : TN915. 01 　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1004 - 1699( 2010) 05 - 0722 - 05 　　采煤工作面是一个各种灾害容易聚集的地方 ,这 给矿工在采煤工作面作业时带来困难和危险 ,因此 ,实 现无人的自动和智能化采矿是地下采矿的最终目标。 以煤矿井下无线传感器网络为代表的地下无线传感器 网络受到越来越多的关注 ,在采空区、采煤工作面等安 全关键地带 ,由于其自然条件非常恶劣 ,布线不能随时 进行 ,监测监控难度大 ,利用无线传感器网络可以实现 煤矿采煤、掘进工作面、采空区瓦斯以及人员定位等无 线接入检测和灾变后对环境监测系统的快速重构 ,提 高了煤矿安全监控系统在灾变条件下的残存性 ,而合 理的通信信道模型是构建无线传感器网络的基础。目 前已经对煤矿井下巷道中的短距离无线通信理论开展 了研究 [1 - 4 ] ,但综合考虑信号衰减、机器噪声的煤矿井 下无线通信信道模型还没有建立 ,本文根据采煤工作 面的状况和无线通信特点 ,提出采煤工作面无线传感 器网络无线通信信道模型 ,为构建采煤工作面无线传 感器网络以及实现无人开采奠定基础 [5 - 7 ]。 1　采煤工作面无线传感器网络 采煤工作面是采煤机械主要工作的场所 ,采煤 工作面示意图如图 1所示。主要的采矿装备有采煤 机、刮板输送机液压支架。 图 1　采煤工作面 1 -采煤机 2 -刮板输送机 3 -液压支架 4 -煤层 5 -顺槽 如果在采煤工作面两端的顺槽处和采矿机群 上部署一定数量的无线传感器节点和执行器节 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 5期 周莉娟 ,陈光柱等 :采煤工作面无线传感器网络的无线通信信道建模 　 点 ,传感器节点收集采煤工作面的环境和采矿装 备信息 ,以实时采煤工作面的环境信息和定位采 煤机的位置 ,进而控制液压支架和刮板输送机上 的执行器节点 ,控制液压支架和刮板输送机的动 作 ,完成采矿机群的自主控制 ,实现无人的自动化 和智能化开采。采煤工作面无线传感器网络系统 如图 2所示。 图 2　采煤工作面无线传感器网络系统示意图 1 -采煤机 　2 -刮板输送机 　3 -液压支架 建立采煤工作面无线传感器网络最基础、最困 难的就是其无线通信信道建模。采煤工作面的特殊 构造决定了其无线通信有别于巷道 ,具有以下的特 点 :采煤空间是时变的 ,因此会对无线通信带来周期 或非周期的变化 ;其空间充斥着采煤设备 ,一是对电 磁波的传播路径造成阻挡 ,电磁波传播损耗大 ;二是 由于采煤设备的运行 ,产生较大的机械噪声 ,从而对 无线通信造成干扰。 以下对采煤工作面的无线通信信道进行分析 , 以期提出适合其特点的无线通信信道模型。 2　无线通信信道模型的建立 根据无线通信频率对煤矿井下电磁波传输特性 的研究 , 900 MHz作为井下移动通信的最佳工作频 率 [ 8 ] ,由于采煤工作面通信距离较短 ,且电磁波损 耗较巷道较大 ,因此相对巷道而言 ,采煤工作面可选 择采用超高频 ( ultra high frequency, UHF)段即 900 ～3 000 MHz频段作为采煤工作面无线传感器网络 的通信频率。 目前 ,已有利用波导模式理论或几何光学法 建立了煤矿井下巷道电磁波的传播模型 [ 4 ] ,但是 由于波导模式理论分析的是稳态场 ,只适用于当 电磁波传播距离较远 ,已经形成了波导特性的远 场区 ,文献 [ 9 ]考虑液压支架的周期放置 ,建立了 周期加载的非理想矩形波导近似模型 ,但是 ,在距 离较近的近场区 ,高次模较多 ,因此 ,我们认为在 传播距离较短的采煤工作面使用波导模式理论是 不太合适的。 考虑采煤工作面时变特性和采煤设备对通信干 扰的特点 ,本文提出采用考虑了介质吸收的路径损 耗无线传播模型作为采煤工作面无线通信信道 模型。 2. 1　采煤工作面通信损耗分析 在采煤工作面无线通信信道的衰落损耗模型 中 ,通信损耗主要表现为路径损耗和附加损耗两大 方面。 2. 1. 1　路径损耗模型 在煤矿井下的无线通信中 ,自由空间中路径损 耗同样也存在于井下通信 ,自由空间中路径损耗是 通信损耗的主要方面 ,其大小为 [ 10 ] : L0 = 32. 45 + 20 lg ( d) + 20 lg ( f) (1) 式中 , d表示发送 /接收之间的距离 , m , f是电磁波 频率 ,MHz。 式 (1)说明路径损耗主要受通信距离和频率的 影响 ,随着通信距离的增大 ,路径损耗越来越大 ,路 径损耗是影响通信的主要因素。 2. 1. 2　附加损耗模型 根据采煤工作面特点 ,将巷道壁粗糙和倾斜因 素作为影响无线通信的介质吸收因素 ,再考虑液压 支架和刮板输送机对电磁波传播造成的损耗 ,从而 可建立无线通信模型中的附加损耗模型。 (1)巷道壁粗糙影响 由巷道壁粗糙引起的衰减损耗 [ 11 ] L rc = 4. 343π2 h2λ 1 a 4 + 1 b4 d (2) 式中 , h表示粗糙度均方根值 ,采煤工作面巷道壁粗 糙均方值取值为 0. 1 cm, a为工作面宽度 , b为工作 面高度 , d表示发送 /接收之间的距离 ,λ表示在频 率 f下的波长。 式 (2)说明巷道壁粗糙度引起的损耗也存在于 采煤工作面。 (2)巷道壁倾斜影响 由巷道壁倾斜引起的衰减损耗 [ 11 ] L tc = 4. 343π2θ2 d λ (3) 式中 ,θ表示倾斜角均方根值 , d表示发送 /接收之间 的距离 ,λ表示在频率 f下的波长。 式 (3)说明巷道壁倾斜引起的损耗也存在于采 煤工作面。 (3)液压支架和刮板输送机影响 液压支架和刮板输送机作为金属导体 ,对无线 通信会造成干扰 ,从而会使无线通信造成损耗。 液压支架的支柱可以看着是金属导体 ,当无线 通信的天线设备靠近金属时 ,由于电磁感应作用 ,金 327 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 传 　感 　技 　术 　学 　报 第 23卷 属液压支架内部会产生涡流 ,同时吸收射频能量转 换成自身的电场能 ,因此减弱了原有场强的总能量。 同时涡流也会产生自身的感应磁场 ,该场的磁力线 垂直于液压支架 ,且方向与原场强相反 ,这种感应磁 场对原磁场产生了阻碍 ,也会对原有电磁波产生一 定的影响 [ 12 ]。 刮板输送机被视为采煤工作面的纵向导体 ,由 于纵向导体有导波作用 ,当巷道中存在刮板输送机 这样的导体时 ,对电磁波的传播是有利的。但随着 频率的增加 ,纵向导体的导波作用越来越小 ,在特高 频以上频段的作用可以忽略不计 [ 13 ]。由于采煤工 作面采用 UHF频段 ,因此刮板输送机的影响忽略不 计 ,本文将其作为一个极小量考虑。 将液压支架和刮板输送机对电磁波传播造成的 损耗表示为 Lh ,将其作为一个未知量考虑入通信模 型中。 因此 ,采煤工作面总的通信损耗表示为 : Lf =L0 +L rc +L tc +Lh =32. 45 +20lg (d) +20lg ( f) + 4. 343π2 h2λ 1 a 4 + 1 b4 d + 4. 343π 2θ2 d λ +Lh (4) 由于 Lh 难以从理论上推导得出 ,从式 ( 4 )可以 看出 ,如果能求出 L f , L0 , L rc , L tc ,则可求出液压支架 和刮板输送机对电磁波传播造成的损耗 Lh。 2. 2　接收功率计算 在考虑损耗影响后的接收端的功率为 Pr = Pt + Gr + Gt - L f (5) 式中 , Gt , Gr分别表示发送和接收天线增益 , Pt 表示 发射功率 , L f 为信道总损耗。 2. 3　通信模型仿真分析 采煤工作面通信路径损耗建模过程分如下三个 步骤。 步骤 1　首先给出未考虑 Lh 时的接受功率分 布图 ,将实测接受功率和未考虑 Lh 时的接受功率 对比 ; 步骤 2　将对比所得差值作为 Lh 值 ,可得 Lh 分 布图。将 Lh 拟合 ,可得到逼近 Lh 的公式 ; 步骤 3　将 Lh 加入所建立的模型公式 ,得出总 的损耗公式和衰耗图。 本文将 900 MHz作为煤矿井下无线通信的最 佳工作频率 ,其实际测得功率也是在该频率下得到 的 ,因此 f = 900 MHz。由于采煤工作面长度并不是 很长 ,且受无线通信半径实际影响 ,本文取通信距离 d = 100 m。倾斜角均方根值θ= 0. 55,粗糙度均方 根值 h = 0. 1 cm。若假设发送和接收天线为全向天 线增益 , 均为 Gr = Gt = 8. 5 dB, 发射功率 Pt 为 10 dBm。 由于 Lh 的理论模型难以推导得出 ,因此 ,在仿 真中先不考虑 Lh。未考虑 Lh 时的接收功率与实际 测得的接收功率 [ 14 ]对比如图 3所示。 图 3　900 MHz时未考虑 Lh 时的接收功率 与实际接收功率对比图 从图 3可知 ,在同等通信距离下 ,未考虑采煤设 备对无线通信影响下接收端的接收功率比实际接收 功率要大 ,这是由于实际接收功率受到了其他损耗 的影响 ,也就是采煤设备造成的损耗 Lh。因此 ,我 们认为采煤设备影响信道特性的模型是合理的。可 知未考虑 Lh 时的接受功率比实际接收功率较大 ,因 此 Lh 影响存在。将所建立的模型中接收功率减去 实际接收功率 ,可得损耗 Lh ,如图 4所示 ,由图 4可 得 Lh 的损耗值。 图 4　900 MHz时 Lh 损耗值 采用二次拟合 Lh ,得到 Lh 的函数表达式为 Lh = 0. 005d2 + 0. 009d + 23. 68 (6) 式中 , d表示发送 /接收之间的距离。 从图 4可以看出 ,随着通信距离的增大 , Lh 越 来越大 ,并且变化率越来越大 ,也就是说明随着通信 距离的增大 ,液压支架和刮板输送机对电磁波传播 造成的损耗率越来越大。 考虑 Lh ,可得到最后的通信损耗模型为 L f =L0 +L tc +L rc + 0. 005d 2 + 0. 009d + 23. 68 (7) 则根据已知的参数和式 ( 7 ) ,可得最终的通信 损耗变化趋势图 ,如图 5所示。 从图 5可以看出 ,最终的通信损耗随通信距离 增大而增大 ,但总体变化比较平稳。 427 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 5期 周莉娟 ,陈光柱等 :采煤工作面无线传感器网络的无线通信信道建模 　 图 5　最终的通信损耗变化趋势图 实际损耗的斜率线为采煤工作面无线通信信道 功率衰减系数 ,由图 5可得 143 dB - 60 dB 100 m = 73 dB /100 m 3　机械噪声对信噪比的影响 3. 1　理论分析 在煤矿井下无线通信中 ,机械噪声也是影响无 线通信质量的重要因素 ,机械噪声会对无线通信带 来一定的功率干扰 ,这种干扰主要表现为对接收功 率的扰动 ,从而影响信噪比的变化。在采煤工作面 中 ,其主要机器噪声源来自于是刮板输送机和采煤 机工作时所带来的噪声。采煤机在割煤过程中机器 噪声源不固定 ,采煤机的机器噪声数学模型为 [ 15 ] : Pc = 10 lg Pn21 d2 + kc (8) 式中 , P为采煤机的消耗功率 , kW; n1 为采煤机电动 机的转速 , r/m in; d为测点到采煤机的距离 , m; kc 为 采煤机常数 ,为 8～10 dB,本文取其平均值为 9。 刮板输送机的噪声源一般固定 ,是由刮板输送 机机头驱动产生的 ,也就是由于传动齿轮箱产生噪 声。将刮板输送机视为一个点声源 ,则刮板输送机 产生的机械噪声为 [ 16 ] : P ( r) = P ( d0 ) - 20 lg ( d / d0 ) (9) 式中 , d0 为噪声声源与已知参照点的距离 , P ( d0 )为 d0 处声级 , P ( d)为预测点 (距离声源为 d)的声级。 实际测得在距离为 1 m处的刮板输送机噪声水 平在 90～106 dB (A)之间 [ 17 ] ,在本文中取其平均值 为 96 dB (A ) ,则可知 d0 = 1 m处的刮板输送机噪 声为 96 dB (A)。 则总的机械噪声为 PN = Pc + P ( d) (10) 假设发送端到接收端之间的距离为 d,在接受 端的信噪比定义为 [ 18 ] S N = S - PL ( d) - N (11) 式中 , S 表示信号功率 , PL ( d)表示路径损耗 , N 表 示噪声功率。 根据式 (11) ,将式中路径损耗改变为考虑了其 他损耗的衰减损耗 ,使建模更为精确。考虑总的机 械噪声和衰减损耗的影响 ,两个节点通信接收端之 间的信噪比可表示为 SNR = Pt - L f - PN (12) 式中 , Pt 表示发射功率 , L f 为信道总损耗。 3. 2　仿真分析 根据得到的最终的通信损耗变化趋势图 ,可得 两个节点通信信噪比变化趋势图 ,如图 6所示。 图 6　两个节点通信信噪比变化趋势图 从图 6可以看出 ,两个节点通信信噪比总体上 随距离增大而增大 ,但当通信距离 d在 0～20 m时 , 两个节点通信信噪比达到最大 ,在通信距离 d大于 20 m后 ,两个节点通信信噪比总体上随距离增大而 减小。这是因为距离越远 ,越远离声源 ,接受信号更 弱 ,且变化比噪声更快的原因。 4　结论 本文基于无线传感器网络在采煤工作面的应用 背景 ,建立了采煤工作面无线通信信道模型 ,该模型 综合了介质吸收造成的路径损耗和附加损耗 ,重点 考虑了采煤设备对无线通信的影响 ,并分析了采煤 机和刮板输送机产生的机器噪声对信噪比的影响 , 得出了如下结论 : (1)采煤工作面设备的存在对无线通信造成一 定的损耗 ; (2)采煤工作面设备工作产生的机械噪声引起 信噪比的变化。 由于电磁波在传播路径中受到障碍物 (如大型 机电设备 ,液压支架 )的阻挡 ,在障碍物的后面就会 产生电磁场的阴影 ,移动节点在通过这些阴影区时 , 会产生阴影衰落 ,同时 ,将信噪比定义中的噪声考虑 为机械噪声 ,得出机械噪声对信噪比的影响提出了 理论模型 ,并给出了仿真实验 ,在接下来要进行物理 性实验进一步验证。 527 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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