漏泄电缆在井下移动通信中应用的研究.pdf

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1、漏泄电缆在井下移动通信中应用的研究3张 涛,陈建宏(中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083)摘 要:阐述了井下无线电波传播特性,指出井下无线通信受阻的根本原因在于存在各种衰落。根据漏泄电缆通信理论,将漏泄电缆技术应用到井下移动通信中,设计一个可用于井下通信的抗衰落能力强的移动通信系统 漏泄电缆移动通信系统。漏泄电缆技术的应用,将可实现井下无线数据、图像及话音的高质量传输,为矿山的安全生产提供强有力保障。关键词:漏泄电缆;移动通信;矿井中图分类号:TD655 文献标识码:A文章编号:1005-2763(2006)06-0079-03Study on Application of

2、Leakage Cable in M ineM obile Commun icationZhang Tao,Chen Jianhong(School of Resources and Safety Engineering,Central SouthUniversity,Changsha,Hunan 410083,China)Abstract:The propagation characteristic of electro magneticwave along underground laneway is expounded.It is pointed outthat the basic re

3、ason for the difficulty ofmine wireless communi2cation is the various decline of electro magneticwave.Accordingto the theory of leakage cable communication,by applying theleakage cable technique to mine mobile communication,a mo2bile communication system with high resistance to decline-leak2age cabl

4、e mobile communication system formine communicationwas designed.Therefore,the high quality transmission of wire2less data,video and voice inminewill be achieved,the stronglyguarantee for safety production in mine will be provided.KeyW ords:Leakage cable,Mobile communication,Mine矿井通信担负着矿山生产、安全、调度的重要任

5、务,在矿井安全高效生产、抢险救灾中发挥着十分重要的作用。改善井下无线通信系统,可以帮助矿山提高生产率和安全性。矿井通信的理想模式是井下无线移动通信系统,但由于井下环境的特殊性,无线电波在巷道中传播遇到很大的困难1,6。为了减少地质条件对无线通信信号的衰减,通常采用低频通信直至超低频通信,但这样需要的天线将会很大,这对于井下移动通信来说很不方便。因而井下移动通信只有借助于有线才能实现。采用漏泄电缆作为天线的井下无线通信系统,允许同时传输多路无线电信号,包括视频信号,能较好解决以上问题6,7。1 井下无线电波传播特性井下无线电波的传播属于非自由空间传播,其讯道可以分为有线信道和无线信道2。大地是一

6、种半导电介质,无线电波在导电率较高的地层中传播其衰减很大,且衰减随距离的增大按指数规律变化。实践证明,地层的导电率越高,工作频率越高,则衰减的程度越严重。根据统计,地层的导电率为10-3/m、工作频率为100 kHz时,电波在地层中传播衰减170 dB/km,工作频率提高到1MHz时衰减550 dB/km。当地层的导电率增大为10-2/m,工作频率为100 kHz时,则衰减高达1720 dB/km。由此可见地层对电波能量的衰减相当大,对于如此大的衰减量,在矿井下用无线电波穿透地层实现无线传播是很难办到的。众所周知,无线电波在自由空间中的传播存在着反射、折射和相互干涉等物理现象,在矿井巷道其断面

7、几何尺寸有限,形状不规则,表面矿体粗糙,层理结构分布极不均匀,加上巷道中支架、棚体、风管、电缆及各种机电设备,构成了一种对无线电波而言特定的非自由空间传播环境。电波通过粗糙的巷道表面传播形成各种不均匀的波场源,同时不断地进行反射和折射,在波场源周围所存在的中性质点均受到波场源信号的激励,形成无数个波动的干扰源,接收点上同时收到一个主信号和无数个干扰信号,干扰信号破坏了主信号传输相位和幅度,甚至可以淹没主信号。这种相干结果加之电波被不均匀岩壁ISSN 1005-2763CN 43-1215/TD矿业研究与开发 第26卷 第6期M I N I NGR&D,Vol.26,No.62006年12月De

8、c.20063收稿日期:2006-01-17基金项目:全国博士学位论文作者专项资金资助项目(200449).作者简介:张 涛(1982-),男,江西九江人,硕士研究生,主要从事矿山安全技术与安全管理方面的研究.大量吸收是无线电波在矿井巷道非自由空间环境中传播甚短的主要原因3。由上分析知,井下无线通信存在许多障碍。多径衰落是井下无线通信的主要障碍3。传统的通信技术无法解决这个问题,这是造成井下无线通信距离受限制的主要原因。为满足现代矿井安全生产和特殊环境的通信要求,迫使人们需要寻求一种新无线通信方法。2 漏泄电缆技术漏泄电缆是一种解决无线电波在矿井巷道中传播的有效途径,其作用类似于传输线和天线的

9、组合体,用途是引导电磁波向前传输,增强沿线的场强覆盖。因其独特的优势,而得到迅速的发展,并逐渐成为井下移动通信的首选技术。2.1 漏泄电缆的漏泄机理普通同轴电缆是将电磁波能量从一端传输到另一端,采取最大的横向全屏蔽方法使信号不能穿透电缆,以避免电磁波能量在传输过程中的损耗。而漏泄电缆则是有意减小横向屏蔽,其电磁波能量可以部分地从电缆内泄漏到电缆外。漏泄电缆用薄铜作外导体,在外导体上开切不同尺寸和角度的槽孔,按漏泄机理不同分为两类:感应式漏泄电缆和辐射式漏泄电缆。感应式电缆的槽孔间距远小于工作波长,电磁能量以同心圆的方式扩散在电缆周围,无方向性,并随距离的增加迅速减小,比较适合于宽频带传输。辐射

10、式电缆的槽孔间距与波长(或半波长)相当,电磁能量由外导体上的槽孔直接辐射出去,有方向性,漏泄能量可在辐射方向上相对集中,并且不会随距离的增加而迅速减小。2.2 漏泄电缆的损耗漏泄电缆主要技术参数有频段、特性阻抗、耦合损耗、传输损耗等。最重要的性能参数是耦合损耗和传输损耗,它们是影响纵向和横向通信距离及通话质量的主要因素4,5,8。2.2.1 传输损耗传输损耗包括导体损耗和介质损耗。对于漏泄电缆,由于在传输电磁波能量的过程中不断向外辐射能量,故还存在辐射损耗。漏泄电缆纵向传输损耗系数是描述电缆内部所传输电磁波能量损失程度重要指标5,8。给定频率的漏泄电缆传输损耗系数为:=1f+2f+3式中:1

11、导体的损耗系数;2 介质的损耗系数;3 辐射损耗系数;f 频率,MHz。1取决于导体的阻抗和尺寸,粗电缆的导体损耗显然较小。2由介质的相对介电常数和损耗因子决定。3取决于电缆的槽孔结构(大小及倾斜角度),同时也受传输频率及电缆周边环境的影响。2.2.2 耦合损耗耦合损耗是表征漏泄同轴电缆辐射能力强弱的物理量,损耗值为电缆内所传输的信号功率与在距离电缆r(1.5 m)处用半波偶极天线接收到的信号功率之差(dB)5,8,即:Lc=Pt-Pr式中:Pt 电缆内所传输信号的功率;Pr 距电缆r处用半波偶极天线接收到的信号功率。当接收天线与电缆之间的距离r变化时,耦合损耗也必然变化,当r由R0增大到R时

12、,耦合损耗的增量为:Lc=10lg(R/R0)槽孔的长度和倾斜角度越大,槽孔间距越小,辐射能力越强,耦合损耗就越小。耦合损耗越小,辐射损耗就越大,也就是传输损耗越大。可以选择不同的槽孔结构(如缩短槽孔间距)使耦合损耗减小。目前漏泄电缆的耦合损耗一般设计在5055 dB,以便增大纵向通信距离。2.2.3 总损耗漏泄电缆总的损耗是指传输损耗与耦合损耗之和,它是整个传输链路设计的依据。通常漏泄同轴电缆的总损耗不得超过系统损耗。图1是2条尺寸相同但漏泄量不同的漏泄同轴电缆总损耗示意图。假定电缆a的辐射量和传输损耗都大于电缆b,可以看出,随着距离的增加,电缆a的总损耗将超过电缆b,而波动也比较大。图1

13、总损耗与传输距离、辐射量关系08矿 业 研 究 与 开 发 2006,26(6)由于移动台接收机的特点,它的位置相对于漏泄电缆是经常发生变化的,会造成总损耗的波动,但波动不大,移动台和基站都可以通过自身自动增益控制电路(AGC)得到补偿。3 漏泄电缆在井下移动通信中的应用将漏泄电缆技术应用到井下,组成如图2所示的漏泄电缆井下移动通信系统。图2 漏泄电缆井下移动通信系统3.1 漏泄通信系统组成本系统采用泄漏电缆作为天线,允许同时传输多路无线电信号,包括视频信号。系统配置提供8路话音/数据通道和16路视频通道,可扩展到32路话音/数据。为了弥补能量损失,系统的泄漏电缆每隔350 m设置一个双向中继

14、放大器(FLA),线路的末端安装线路终端器(FLT),并可根据要求在系统设计里增加分支装置(FBU)。前端单元(FHE)将多路话音讯号合成到一路电缆上输出,同时接收多个载波信信号,并根据其频率的不同把它们传给相应的接受器,它是漏泄电缆与井下传输来的视频信号的接口。耦合器单元作为前端单元的一部分,是基站发射设备和井下系统的阻抗耦合装置。电源连接器(FPC),线路放大器的电源是通过漏泄电缆提供的,要保证放大单元有正确的电压,需要分段给放大单元供电。根据理论研究,在短波段,漏泄电缆比普通同轴电缆的传输损耗略大(约2040 dB/km);当频率更高时,泄漏能量随频率升高急剧加大,漏泄电缆的传输损耗比普

15、通电缆大得多,因此为了实现远距离传输,漏泄通信的频率一般选择20150 MHz的短波和超短波段。本漏泄通信系统的数据和话音通信(Data/Voice)的复用频率选择为148159 MHz(下行),数据和话音通信的解复用频率为163174MHz(上行),视频通信(Video)的复用频率为10120 MHz(单向传输,仅用于帮助地面调度员对井下情况的了解和掌握)。3.2 影响漏泄电缆性能的因素由于井下环境条件复杂多变,影响漏泄电磁波传播的因素很多。因此,在漏泄电缆的设计、安装和使用中要充分考虑到各种因素对性能的影响,使其更加稳定可靠地运行,保证系统畅通。(1)设计要求。从系统冗余量、总损耗的动态范

16、围和中继器的选用3方面来说明设计要求。考虑到系统在井下实际使用中可能遇到的问题,需要对一些指标作余量设计。对上行链路(从移动台到基站),需要考虑移动台发射机输出功率、移动台天线损耗或增益、漏泄电缆的传输损耗、中继器增益、功率分支器损耗等;对下行链路(从基站到移动台),需要考虑基站发射机输出功率、功率分支器损耗、漏泄电缆传输损耗、中继器增益、移动台接受灵敏度等。随信号沿电缆向前传输,总损耗不断增加。为了增长通信距离,通常以逐步减小沿线的耦合损耗来补偿纵向传输损耗。因此,按耦合损耗逐步递减的原则分段设计槽孔结构(如槽孔间距由稀变密),实际沿线的场强分布仍比较均匀,这样就可以减小全段漏泄电缆总损耗的

17、波动。线路中中继器的存在对上行信号会产生一些影响,如信号电平太低,可能被噪声淹没;信号太强,会引起频带内的互调干扰。因此,要采用低噪声放大器以增加灵敏度,采用选频中继器以抑制互调干扰。(2)安装位置。电缆的安装位置对耦合损耗的影响很大。安装时,电缆应与巷道壁保持20 cm以上的悬距,而且电缆离巷道拐角至少要保持1 m以远。另外,考虑到粗糙的巷道壁会对电磁波产生多径效应而影响接收效果,应尽可能选择巷道壁相对平滑的一面安装。(3)固定支架。在固定漏泄电缆时应选用非金属支架,因为金属支架会在一定程度上影响漏泄电缆内信号的驻波。(4)辐射型漏泄电缆的槽孔方向。漏泄电缆外导体上开有一系列的槽孔,为得到最

18、小的耦合损耗和场强波动,必须将槽孔方向朝向移动台接收机。(5)双向中继器。中继放大器是实现长距离通(下转第91页)18 张 涛,等:漏泄电缆在井下移动通信中应用的研究表5 复垦区土地利用类型转移矩阵 单位:km2土地类型复垦后耕地建设用地菜地道路河流鱼塘变化值林地0.00280.0245 0.0273道路0.06360.2514 0.00270.0663河流0.0500.0094 0.2826 0.0070 0.0664塌陷区3.4128 0.4213 0.7270 0.3090 0.0356 0.7050 5.6107废弃工矿0.19090.0528 0.03640.0631 0.3432积

19、水区0.2316 0.27980.0362 0.00435 0.2748 0.8268表6 复垦区土地利用类型转移概率单位:%土地类型复垦后耕地建设用地 菜地道路河流鱼塘林地 10.989.1道路 20.0079.100.90河流 14.352.6981.002.06塌陷区 60.827.5112.965.510.6312.56废弃工矿55.6215.3810.6118.38积水区 28.0133.844.380.5333.24要趋势。在土地利用研究中,由于受已有资料的限制,研究的深度还不够,今后,拟采用高精度的遥感数据配合土地利用数据来进一步深入分析。参考文献:1 肖兴田,王志宏.煤炭资源开

20、发对土地破坏及土地复垦之研究J.露天采煤技术,2001,(4):3134.2 万江波,祝国瑞,彭秋苟.土地利用信息图谱的研究及应用J.武汉大学学报 信息科学版.2005,30(4):334338.3 任春颖,刘湘南.区域土地利用变化信息图谱模型研究 J.地理与地理信息科学,2004,20(6):1317.4 李小英,彭望祖,曹 彤.土地利用演化信息图谱的研究J.地球信息科学,2002,(2):5560.5 齐清文,池天河.地学信息图谱的理论和方法J.地理学报:2001,56(S):817.6 廖 克.地学信息图谱的探讨与展望 J.地球信息科学,2002,(1):1420.7 张洪岩,王钦敏,鲁

21、学军,等.地学信息图谱方法研究的框架J.地球信息科学,2003,(4):101103.8 石建平.复合生态系统信息图谱的研制J.地球信息科学,2004.6(2):109114.(上接第81页)信和较高接收信噪比的保证,也是实现全矿范围内移动通信的必要条件。中继器的安放要安全稳定,远离易受损害的作业区。因为,如果受到破坏,轻则造成阻抗失配,严重影响漏泄电磁波场强的分布,影响通话距离和质量,重则使通信中断。(6)电气噪声的影响。井下电力机车产生的电火花和大型配电设备的频繁启动产生的瞬间电磁干扰,是影响通话质量和通信可靠性的重要因素,而这些设备又是井下生产不可缺少的。为减小对通信设备的影响,在施工中

22、尽量使漏泄电缆的放大器、分支器、电源耦合器及负载终端等远离干扰源,以保证射频信号的正常传输。4 结 论应用漏泄通信理论,将漏泄电缆技术用于井下移动通信,组成了抗干扰、抗衰落能力强的漏泄电缆井下移动通信系统。采用漏泄电缆技术后,可实现井下无线数据、图像及话音的传输,传输质量高且频带宽、容量大。漏泄电缆技术已日趋成熟,在国内外已得到广泛研究与应用,是目前技术最先进的移动通信系统之一,将其应用于矿山井下移动通信,将彻底改变矿山井下移动通信的面貌,也将会为矿山的安全生产提供强有力的保障。参考文献:1 张会清,于洪珍,李佳宁,等.CDMA技术在井下移动通信中应用的研究J.中国矿业大学学报,2001,30

23、(5).2 张会清.煤矿井下“有线-无线”移动通信系统的研究D.徐州:中国矿业大学信息与电气工程学院,1990.3 李怀武.煤矿地下无线通讯的研究 J.煤矿自动化,1994,(3).4 肖远强,张武军.漏泄电缆的性能分析 J.移动通信,2002,(6):4043.5 王艺华.井下漏泄电磁场强的分布及其测量 J.工矿自动化,2002,(4):35.6 刘富强,张 申,程德强,等.井下无线通信系统设计及应用J.电信科学,2001,(9).7 S.乌塔拉,R.勒,P.-M.塔迪夫,等.统一数字通信系统在地下矿的应用 J.冀湘,阚世吉,译.国外金属矿山,2001,(5).8 姚善化,朱宗玖.漏泄同轴电缆的性能分析及应用J.煤矿机械,2003,(7).19 陈秋计,等:基于GIS的煤矿塌陷区土地利用信息图谱研究