矿井无线通信技术论文

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1矿井巷道信道模型

1．1时变多径信道模型在矿井巷道环境下，障碍物对电磁波进行反射、散射和折射，使电磁波在巷道内形成复杂的多径传播，同时，工作人员及设备的移动作业，导致产生多普勒频移，使巷道内的多径信道具有时变性。因此，矿井巷道信道是具有时变特性的复杂多径信道。因此，将相位分量视为常数是不够准确的［10］。本文将相位分量建模为时间的变量，将信道冲激响应定义为。

1．2仿真分析采用MATLAB仿真工具，对矿井巷道时变多径信道模型自相关函数仿真。图1描述了传统信道模型，带宽为500Hz和1000Hz的时变多径信道模型下接收信号的自相关谱，其中，横坐标表示延时，纵坐标表示自相关函数。分析发现，时变多径信道模型与实际接收信号自相关谱较为符合，此信道模型适合矿井无线通信。

2系统性能分析

根据多径时变信道模型，假设接收天线总功率与发射总功率相等，且等于Pe，信道噪声是加性白高斯噪声，每根接收天线的噪声功率为σ2，则信噪比SNR:ξ=Pe/σ2。

2．1系统容量分析实际的无线信道是时变的，受到衰落的影响。对于单天线系统，即单输入单输出(SISO)系统的信道容量可用下式计算。图2给出了单输入单输出(SISO)系统和多输入单输出(MISO)系统的信道容量与发射天线数目之间关系的仿真结果，横坐标表示信道容量，纵坐标表示概率。其中，仿真参数设定为信噪比10dB，迭代次数为1000，接收天线为1，发射天线数目分别为1，2，3。仿真结果表明，SISO系统信道容量最小，发射天线数目从1依次增加时，信道容量也依次增加。图3给出了MIMO系统的信道容量与发射天线数目之间关系的仿真结果，横坐标表示信道容量，纵坐标表示概率。其中，仿真参数的设定同上，发射天线数目分别为2，3，4，接收天线对应为2，3，4。从仿真结果可以看出，MIMO系统信道容量随着收发天线数目的增加而增加。对比图2与图3发现，MIMO系统的信道容量显然比SISO系统的信道容量有了较大增加。

2．2误码率分析令xm(l)表示第m根天线的第l个子载波上的发射信号(l=0，…，L－1)，经历时变多径衰落信道传输和FFT变换后，在t时刻第n根接收天线的第l个子载波上得到的信号yn(t)可由下式得到。采用MATLAB对MIMO－OFDM系统在不同天线数目下进行误码率性能对比，具体实验流程如下:1)初始化过程。给定发射信号及时变多径衰落信道的冲激响应初始值。接收端采用最小均方误差(MMSE)检测算法。2)确定接收信号过程。输入数据经过串/并转换、空时编码、IFFT变换并添加循环前缀后经时变多径衰落信道到达接收方，根据式(5)确定接收信号形式。3)对接收信号去除循环前缀、FFT变换、空时译码及并/串变换后，计算MMSE检测加权矩阵，并进一步得到MMSE判决数据。4)误码率计算过程。根据数据检测与判决结果，与初始输入数据对比，计算系统误码率。基于上述分析与描述，设置的仿真参数如表1所示。仿真在收发天线数目相等的情况下进行，天线数目分别为1，2，3，多径数目假设为2，接收端采用MMSE检测。图4给出了收发天线数目相等，不同天线数目情况下的MIMO－OFDM系统的误码率性能，其中，横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。从仿真结果可以看出，随着收发天线数目的依次递增，从1增加到3，在BER为0．02处，天线数目选取3相对于选取数目2和1分别有4dB和9．6dB的增益，系统的误码率依次下降且抗多径衰落的能力依次增强。图5反映的是多径对MIMO－OFDM系统性能的影响。图中，横坐标表示信噪比，纵坐标表示误码率。这里假设发射天线数目为2，接收天线数目为2，接收端采用MMSE检测，多径数目取2，4，6。分析发现，随着多径数目的递增，在BER为0．02处，多径数目选取6相对于选取数目4和2分别有4．3dB和9．7dB的增益，给定一定的信噪比值，误码率随着多径数目的递增而递减，此结果与MIMO－OFDM技术对抗多径衰落相符，是一种更适合于矿井巷道通信的无线技术。

3结束语

矿井巷道的多径传播特性导致矿井无线通信性能的下降，针对煤矿井下这一复杂的多径信道，本文建立了时变多径信道统计模型，得到信道冲激响应自相关函数;基于该模型深入分析了单输出和MIMO－OFDM系统的信道容量、不同天线数目和多径数目下的系统性能。数学分析和MAT-LAB仿真表明，时变多径信道模型与实际接收信号自相关谱较为符合;与SISO系统相比较，MIMO系统增加了系统容量;同时，系统误码性能随着多径数目的递增而递减，MIMO－OFDM技术可以有效对抗矿井巷道的多径衰落，提高通信系统的可靠性，是一种更适合于矿井巷道通信的无线技术。

作者：王艳丽张鹏张佳单位：渭南师范学院数学与信息科学学院中煤科工集团西安研究院