矿井无线传输测试分析与矿用5G优选工作频段研究

矿井移动通信系统、人员和车辆定位系统等的研发和布置,需进行矿井无线传输特性分析,优选无线工作频段,优化无线通信基站和定位分站布置。在矿井拐弯巷道、分支巷道、辅助运输大巷、掘进巷道、综采工作面中进行了350 MHz~6 GHz较大频率范围的无线传输测试,并对测试结果进行了分析,揭示了矿井无线传输特性:(1)拐弯巷道中无线传输频率越低,衰减越小,其中350 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(2)分支巷道中无线传输频率越低,衰减越小,其中350 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(3)辅助运输大巷中700 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(4)掘进巷道中700 MHz~900 MHz频段的无线传输衰减最小。(5)综采工作面中433 MHz~1300 MHz频段的无线传输衰减最小。(6)在巷道断面相同的情况下,拐弯巷道中的无线传输衰减小于分支巷道,支巷发射的分支巷道中的无线传输衰减小于主巷发射的分支巷道。巷道拐弯和分支均增加了无线传输衰减。提出了煤矿井下无线通信系统的优选工作频段与天线在拐弯和分支巷道中的最佳布置方式:(1)煤矿井下无线通信系统的工作频段应优选700 MHz~900 MHz。(2)为减小巷道拐弯和分支对无线传输的影响,无线通信基站和定位分站及其天线应设置在拐弯巷道的拐点和分支巷道的分支点。研究成果已被中华人民共和国能源行业标准NB/T11546—2024《煤矿用5G通信系统通用技术条件》、NB/T11523—2024《煤矿用5G通信基站》和NB/T 11547—2024《煤矿用5G通信基站控制器》应用。

矿井无线传输网络信道仿真模型的建立

为了研究矿井无线传输网络系统方便,基于软件无线电的基础上设计了发射模块与接收模块组成的传输网络系统方案,有助于研究无线传输网络系统中的各个功能模块,同时在计算机软件的帮助下进行仿真实验,建立完整的方针模型,最后分析总结这些实验数据,验证这一网络系统在矿井安全生产事故救援中的可行性。

基于nRF24L01的矿井无线传输系统的设计

本文介绍了一种由单片机MPS430F1232和射频芯片nRF24L01构成的矿井无线传输系统,并详细叙述了系统的硬件和软件设计。该系统具有功耗小、成本低、传输速率高等特点,适用于煤矿井下人员定位和环境状况的测控。

煤矿井下无线传输衰减分析测试与最佳工作频段研究

5G,UWB,ZigBee,WiFi6等矿井移动通信、人员及车辆定位、无线传输等技术在煤矿井下应用,促进了煤矿安全生产和煤矿智能化建设。然而受电气防爆的限制,煤矿井下无线发射功率不大于6 W,制约着矿井无线传输距离,增加了基站用量和系统成本,不便于系统使用和维护。在无线发射功率受电气防爆限制的条件下,选择传输衰减较小的无线工作频段,可有效提高无线传输距离,减小基站用量和系统成本。为满足矿井无线传输工作频段选择与优化的需求,在国家能源集团国神公司三道沟煤矿的辅助运输大巷和综采工作面分别进行了700 MHz~6 GHz频段的无线传输测试,并对测试结果进行了分析,提出了矿井无线传输优选频段:(1)辅助运输大巷无线传输的最佳工作频段为700~910 MHz。(2)综采工作面无线传输的最佳工作频段为700~1710 MHz。(3)辅助运输大巷无线传输衰减比综采工作面无线传输衰减小,且随着频率增大,辅助运输大巷与综采工作面无线传输衰减的差值变小。(4)矿井无线传输的最佳工作频段为700~1710 MHz。

矿井宽带无线传输技术研究

提出了矿井宽带无线传输技术是解决采掘工作面移动监控、监视和语音通信需求的关键技术。提出了矿井宽带无线传输应满足传输带宽宽、便于接入有线宽带网络、中继设备少、体积小、发射功率小、电磁兼容性好、安全性好、传输协议标准化、电源电压波动适应能力强等要求。提出了漏泄通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下局部通信等;感应通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下救灾通信等;透地通信不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下避难硐室等应急通信;小灵通、CDMA、GSM、Bluetooth不能用作矿井宽带无线传输技术;RFID不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿物联网、矿用设备管理和防碰撞等;ZigBee不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下人员、胶轮车、电机车等动目标精确定位和矿用传感器无线传输等;UWB不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下生命探测、防碰撞、煤矿井下人员和胶轮车等动目标精确定位等;WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等3G不能用作矿井宽带无线传输技术,但可用于煤矿井下语音移动通信等。提出了矿井宽带无线传输技术宜采用WiFi,4G有可能成为未来矿井宽带无线传输技术。

煤矿井下UWB信号路径损耗测量及中心频率选择

煤矿井下分别部署UWB,5G,WiFi6等系统,存在基站多、传输线缆多、供电设备多、系统成本高、维护工作量大等问题。将UWB,5G,WiFi6等集成在同一个一体化基站或分站内,可有效解决上述问题,但一体化基站的UWB,5G,WiFi6天线之间距离近,相互干扰大。选择不同的工作频段,是解决一体化基站的UWB,5G,WiFi6天线之间相互干扰大的有效方法。为与地面设备兼容,矿用WiFi6和5G工作频段选择范围较小,UWB工作频段选择范围较大。目前矿井人员和车辆定位系统主要采用UWB主流芯片DW1000,其中心频率为3.5,4.0,4.5,6.5 GHz。中心频率为3.5 GHz的UWB与3.5 GHz的5G工作频段相近,不宜选用。中心频率为4.0,4.5,6.5 GHz的3个频段的UWB,均与5G和WiFi6频段不相近,可选择其中衰减较小的频段作为矿用UWB中心频率。煤矿井下测试结果表明,4.0 GHz信号的路径损耗最小,在其他条件相同的情况下,传输距离最远,既解决了UWB与5G和WiFi6相互干扰的问题,又减少了基站数量和系统成本,便于使用与维护。因此,UWB中心频率应优选4.0 GHz。

UWR-FDTD矿井电磁波数值分析方法

为减小FDTD(Finite-Difference Time-Domain)对计算机内存空间与算力的需求,提高FDTD求解矿井电磁波的计算效率,根据矿井巷道断面小、轴向长的特点,提出了单位窗口循环使用时域有限差分方法(Unit Window Recycling, UWR-FDTD)。该方法沿巷道轴向把待研究的巷道平均划分多个虚拟窗口,虚拟窗口的断面面积与巷道断面面积相同,为一个同虚拟窗口大小相同的单位窗口分配内存空间,所有虚拟窗口循环使用单位窗口的内存空间,执行传统FDTD迭代过程。激励源设在第1个虚拟窗口,根据1个单位窗口电磁波传播时间,确定每个虚拟窗口的迭代次数,按照时间步存储单位窗口内最后一个Yee网格的电磁场分量,作为下一个虚拟窗口的子激励源。每个虚拟窗口在单位窗口内迭代完成后,均存储完成时刻单位窗口的电磁场分量,用于合成整个巷道内的电磁场数值。结果表明:同传统FDTD方法相比,UWR-FDTD方法在一维二维三维计算空间均可减少内存使用量,划分虚拟窗口数目越多,仿真时所需的内存空间越小,在三维空间内提高的计算效率更加显著;在无耗介质、有耗介质计算空间,分别用时谐源和脉冲源作为激励源,在一维二维三维空间内用UWR-FDTD计算出合成电场的周期和幅值,与传统FDTD计算结果一致。UWR-FDTD矿井电磁波仿真时间与巷道断面面积、巷道长度和电磁波频率有关;划分虚拟窗口的长度为待研究巷道长度的1/10~1/6时,计算用时最短,计算效率最高。

矿井自动监测预警系统的设计

矿井开采环境特殊,安全隐患多,如何实时监测和采集节点的各种信息,随时掌握井下每个人员的位置及环境情况,是煤矿企业亟待解决的一个难题。本文提出了一种由单片机MPS430F1232和射频芯片nRF24L01构成的矿井下的无线传输系统,该系统的传感器群对井下温度、湿度等参数进行集中监测,所测参数经微控制器送往射频模块,射频模块nRF24L01对信号发送、接收。并详细叙述了系统的硬件和软件设计。试验表明:该系统具有功耗低、成本少、传输速率高等特点,适用于煤矿井下人员定位和环境状况的测控。