張從力，史記征

（重慶大學(xué) 自動化學(xué)院，重慶 400030）

透地通信是一種以分層大地作為傳輸媒質(zhì)，利用無線電波直接穿透大地來實現(xiàn)地面與井下信息交流的無線通信技術(shù)。透地通信的傳輸介質(zhì)是分層大地，因此當(dāng)?shù)V井突發(fā)坍塌、井底透水等災(zāi)害事故時，通信設(shè)施不會遭到太大的損害，被認(rèn)為是最可靠的應(yīng)急救援通信手段。然而透地信道的干擾、嚴(yán)重衰減以及弱信號接收困難等問題的存在，使得透地通信系統(tǒng)的研究進(jìn)展十分緩慢。根據(jù)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可以在很低的功率譜密度條件下可靠地工作，甚至信號電平在一定噪聲的“淹沒”下也能有效通信的特點，本文將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用到礦井透地通信系統(tǒng)中，并設(shè)計出系統(tǒng)的仿真模型，給出了仿真結(jié)果，證明了本文方法的有效性和優(yōu)越性。

1 礦井透地信道特性分析

1.1 透地信道的衰減特性

本文中把透地通信信號的傳輸媒質(zhì)（大地）看作是均勻的、電導(dǎo)率有限的媒質(zhì)，這種假設(shè)有利于建立信號沿礦井無線通道傳輸過程的數(shù)學(xué)模型。

依據(jù)上面的假設(shè)，可得平面電磁波的復(fù)數(shù)形式麥克斯韋（Maxwell）方程為[1]：

其中，γ為傳播方向的矢徑；E0為常矢量，代表電場矢量的起始振幅與極化方向；β為幅值衰減系數(shù)；α為相位衰減系數(shù)。

由式（3）可知，電磁波的振幅沿傳播方向按 e-βγ呈指數(shù)規(guī)律衰減。其中，

其中，μ（H/m）為媒質(zhì)的磁導(dǎo)率（與空氣中的磁導(dǎo)率 4π×10-7H/m 基本相等），σ（S/m）為媒質(zhì)的電導(dǎo)率，ε（F/m）為媒質(zhì)的介電常數(shù)，ω為發(fā)送電磁波的角頻率[2]。在透地通信中，為了使發(fā)送信號到達(dá)地下接收點時具有較高的功率（即要使β盡量?。l(fā)射頻率應(yīng)較低，而大地媒質(zhì)的介電常數(shù)又較大，滿足 σ>>ωε，即1，從而可得 α、β的簡化表達(dá)式為：

由式（6）可得：媒質(zhì)電導(dǎo)率σ與發(fā)送端電磁波頻率f的大小決定了電磁波信號穿透地層的深度。各地礦井的煤層深度不同，因此其電導(dǎo)率σ也不同，從而使得其穿透深度也不同；電磁波的頻率f越高，幅值衰減就越嚴(yán)重，穿透能力越弱，傳播距離就越短。根據(jù)以上的分析可知：在透地通信系統(tǒng)中必須保證電磁波工作在甚低頻段（VLF3～30 kHz）。

1.2 透地信道的干擾特性

信道中的干擾是決定通信質(zhì)量好壞的最主要因素，并且透地通信系統(tǒng)中有些設(shè)備的靈敏度極高。事實上，礦井無線通信的干擾主要包括工業(yè)和自然的各種干擾電平。

地面上的長波、高壓輸電線和超聲波波段的無線電廣播臺是常見的工業(yè)干擾源。陰雨天氣時，雷電放電在巖層中感應(yīng)出的寬頻譜電磁場、大地恒定電場的波動都會對透地通信系統(tǒng)造成很大影響，是很常見的天然干擾源。

地下礦井通道里的主要干擾源是電力電纜網(wǎng)絡(luò)和各種機(jī)電設(shè)備。這些網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備可能會產(chǎn)生巨大的脈沖電流流散到周圍的巖層中，這些電流在各個方向的分量將對透地通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾。

2 礦井透地通信系統(tǒng)天線設(shè)計

由于透地通信系統(tǒng)中使用的信號頻率極低以及各種干擾可能通過不同途徑到達(dá)接收點，因此要想實現(xiàn)穿透地層的無線電信號可靠傳輸，設(shè)計良好的發(fā)射和接收天線裝置是極其重要的。

在礦井低頻無線通信中，一般是利用電磁波的近區(qū)到中間區(qū)的場實現(xiàn)信號傳輸。當(dāng)天線裝置的經(jīng)典計算推廣到半導(dǎo)電媒質(zhì)時，會導(dǎo)致對天線裝置效能估計的非單值性。

由天線知識可知，天線上的電流是按照有耗長線的規(guī)律分布的。當(dāng)天線尺寸較小時，若用終端開路形式，天線的有效長度只有實際長度的一半，輻射能力減弱，需要在天線回路中串入較大的電感才能調(diào)諧。串入大電感將引起較大的功率損耗，從而使得整個系統(tǒng)的效率降低，并且大功率的發(fā)射裝置將引起較多的電能消耗，這對礦難發(fā)生后的救援十分不利。若天線采用終端短路形式，則電流的分布比較均勻，輻射能力增強(qiáng)，而且輸入阻抗的電抗分布為小感抗，容易和發(fā)送裝置匹配[3]。

根據(jù)以上分析，本文選擇90 m長的終端短路單極天線作為發(fā)射和接收天線，天線長度應(yīng)滿足l<<λ。因此，可以將天線視作水平電偶極子。

3 透地擴(kuò)頻通信系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)方案的原理

擴(kuò)頻通信是基于信息論和抗干擾理論的信息傳輸方式，它的理論依據(jù)是信息論中的香農(nóng)（Shannon）公式：

其中，C為信道容量 （信息傳輸速率），B為信號頻帶寬度，S為信號功率，N為白噪聲功率。由式（7）可以看出，信道容量C為常數(shù)時，帶寬B與信噪比S/N可以互換，既可以通過增加帶寬來降低系統(tǒng)對信噪比S/N的要求，也可以通過增加信號功率降低信號的帶寬。但是，由信息論的理論知，當(dāng)B增加到一定數(shù)值后，信道容量C是有上限值的。

建立通信系統(tǒng)的目的是傳輸消息，消息中信息的多少用信息量I表示，消息要實現(xiàn)傳送必須首先轉(zhuǎn)換成電信號，接收到的電信號具有一定的帶寬BS、持續(xù)時間TS和功率PS，同時信道中也有其他干擾功率Pn[4]。

其中，VS為信號體積，HS為信號的動態(tài)范圍，N代表單位信號體積所荷載的信息量。系統(tǒng)的可靠性會隨著N的增大而降低，且Nmax=1，當(dāng)N>1信息就不能正確接收?？梢姡ㄐ畔到y(tǒng)的有效性和可靠性是相互矛盾的。

根據(jù)前面的分析可知，在透地通信系統(tǒng)中，天線的輻射效率很低，而且透地信道的衰減十分嚴(yán)重，使得接收點的信號十分微弱。VS、HS較小使得N較大，N值的變大將使通信十分不可靠，以致于N>1時無法進(jìn)行通信。解決此問題的方法有兩種：增大信號體積VS和減少每次傳輸?shù)男畔⒘縄。具體的措施有：

（1）增大TS，通過傳輸延時換取可靠性。顯然這不滿足生產(chǎn)調(diào)度及礦難救援的要求。

（2）增大信號的動態(tài)范圍HS，即增大發(fā)信功率PS，也就是用較大的功率消耗換取可靠性。但礦難發(fā)生時井底下的電能有限。

（3）增大信號帶寬 BS，也就是用增大頻帶換取可靠性。這是解決透地通信系統(tǒng)中信號發(fā)送、接收問題的有效途徑，這樣做將使通信系統(tǒng)的誤碼率顯著下降。

而擴(kuò)頻通信就是用帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所需最小帶寬的信號傳輸數(shù)據(jù)，以達(dá)到使通信誤碼率下降的目的。

3.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)框圖及分析

根據(jù)以上對透地信道和天線特性的分析，本文在設(shè)計透地通信系統(tǒng)時采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù) （DSSS），其原理框圖如圖1所示[5]。

圖1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理框圖

編碼器的作用是對數(shù)據(jù)源的基帶信號進(jìn)行處理，然后與M序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2加，從而得到擴(kuò)頻序列，以對載波進(jìn)行調(diào)制，最后把信號由天線發(fā)射出去。在接收端，需要經(jīng)過解擴(kuò)和解調(diào)才能恢復(fù)出原始序列。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 仿真模型的建立

本文采用基于Windows平臺的SystemView通信系統(tǒng)仿真軟件[6-7]。系統(tǒng)總體仿真模型如圖2所示。

4.2 仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)運(yùn)行時，各參數(shù)的設(shè)置在圖2中已注明。圖3所示為仿真系統(tǒng)一次運(yùn)行時SystemView分析窗口的運(yùn)行結(jié)果。

從圖 3（a）和圖 3（g）可以看出，發(fā)送信號經(jīng)透地信道傳輸后，在接收端能夠得到不失真的原始信號，只是存在一定的時間延遲。

為了進(jìn)一步驗證該設(shè)計方案是否具有較高的可靠性和可行性，再從系統(tǒng)誤碼率的角度進(jìn)行分析。多次仿真結(jié)果的BER/SNR曲線如圖4所示。

從圖4可知，信噪比與系統(tǒng)的誤碼率成反比例，說明本文的方案是可行的，可以實現(xiàn)可靠的透地通信。

圖4 系統(tǒng)誤碼率仿真曲線

本文提出的直接序列擴(kuò)頻方法能有效解決透地通信中干擾嚴(yán)重和弱信號接收問題，基于該擴(kuò)頻方法的礦井透地通信系統(tǒng)的應(yīng)用將使礦井生產(chǎn)的安全系數(shù)、生產(chǎn)效率和自動化程度得到顯著提高，較大程度上滿足礦井安全生產(chǎn)、搶險救災(zāi)的需求，推動礦井移動通信的發(fā)展，同時使通信系統(tǒng)成本大大降低，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]張清毅，朱建銘.透地通信信道特性的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報，1999，14（1）：36-40.

[2]劉凌志.無線電波在大地媒質(zhì)中的傳播特性研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2004.

[3]陶晉宜.甚低頻電磁波穿透地層礦井通信系統(tǒng)天線裝置的研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2007，30（2）：139-143.

[4]司徒夢天.解決地下通信技術(shù)難題的方案及關(guān)鍵設(shè)備[J].中國工程科學(xué)，2001，18（7）：64-69.

[5]韋惠民.擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[6]劉正瓊.基于 SystemView的擴(kuò)頻通信仿真與分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（7）：843-845.

[7]PIERRE L E.Summary study of underground communications technologies [R]. Ottawa， Ontario， Canada： CANMET Mining and Mineral Sciences Laboratories，2009.