MIMO技术在煤矿井下通信中的应用

【摘 要】分析了我国煤矿井下通信的主要现状，介绍了MIMO技术原理及其主要优点，指出MIMO技术在环境恶劣和复杂的煤矿井下，可以有效地克服多径效应，增强抗干扰能力和提升系统信道容量，从而保证井下通信质量。并从技术上给出了仿真。

【关键词】井下通信；MIMO技术；多径效应；信道容量

【Abstract】The paper analyzes the current situation of the coal mine communication in China，and introduces the principle of MIMO technology and its main advantages，in the harsh and complex coal mine，the MIMO technology can effectively overcome the multipath effect， the anti-interference ability and improve the system channel capacity， and ensure the quality of underground communication.And the simulation is given from the technology.

【Key words】Mine communication； MIMO technology； Multipath effect； Channel capacity

1 煤矿井下通信的现状

我国煤矿井下通信系统普遍存在的问题是抗干扰性能不好，背景噪声大，可靠性低，井下环境恶劣，使得先进的通信设备在井下移动通信中难以推广利用。因此，提高现有煤矿井下移动通信系统的通话质量和抗干扰、抗噪声性能，提高频谱利用率，确保通信可靠性、有效性性和实时性，对井下通信技术的改善，煤矿的安全生产以及煤矿工业现代化程度的提升有重要意义。

2 MIMO技术

引起井下无线通信不能远距离大容量传输的主要因素除巷道壁吸收损耗，另一主要原因是巷道中电磁波的多径效应，而且由于煤矿井下通信设备要求的特殊性，仅仅通过增加发射端的传输功率来提高通信的可靠性是不可能的。MIMO技术利用空间的多径效应，能够将劣势转化为优势，提升无线信道的容量，从而提高传输速率及可靠性。因此，在井下巷道应用MIMO技术实现煤矿井下通信系统，将对煤矿井下通信技术的发展起到推动作用。

2.1 MIMO技术概述

MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）是用于通信系统的多输入多路输出技术的英文缩写。在通信过程中的多个路径会引起信号衰落，这在普通的通信系统中是非常不利的，但对基于MIMO技术的通信系统来说，多径传输可以作为有利的因素被利用。在通信过程中，MIMO多径输入输出技术是将多个天线相结合以此来改善每个用户的通信质量。而每个天线之间的距离必须保持在半个波长以上，以这种方式来降低接收信号之间的过大相关性。因此该系统中任意一个发送天线到任意一个接收天线之间的无线信道都是相互独立的。各个子数据流都同时被发送到信道，每一个子数据流共同应用同一个频段而并没有增加带宽。如果每一个发射天线与接收天线之间的信道是独立响应的，那么基于MIMO技术的通信系统可以创造出多个并行通信的空间信道。有效的应用这些多个并行通信的空间信道来传送独的立的数据可以提高数据传输速率。

2.2 MIMO技术的优点

MIMO技术的主要优点可以总结为以下几点：

（1）频谱利用率高。MOMO技术能够在不增加额外功率或者带宽的前提下增加容量。通过在不同的发射天线上传输不同的数据流，在特定信道条件下，增加系统容量。

（2）覆盖范围广。对所有天线阵元上的接收信号进行相干合并，可以获得天线阵列或者波束成型增益，与天线数目成正比。通过增加接收端的信噪比，MIMO技术可以扩大WLAN的覆盖范围。

（3）功耗低。采用发射波束成型等方法可以获得较低的功率消耗。

（4）链路可靠性高。采用多天线可以增加空间分集对抗对径衰落。发射分集技术是对抗信道衰落和提高系统容量及链路可靠性的新技术之一。

3 煤矿井下环境对井下通信的影响

煤矿井下通信系统主要用在井下主巷道、竖井、斜井及采掘工作面等，这些环境空间是有限的，非自由的。粗糙的巷道壁和堆放的各种物体及井下机电设备，会使电磁波在传播过程中发生反射或散射，以致到达移动设备的信号是来自不同传播路径的信号合成，这就是所谓的多径效应。多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延，会使信号产生严重的失真和波形展宽，导致码间串扰，不但会引起噪声增加和误码率上升，使通信质量下降，甚至使某些通信系统无法工作。MIMO技术可以有效地解决多径衰落。随着煤矿的现代化程度越来越高，高度机械化和自动化的采矿、机电设备不断被采用，井下人为噪声有增无减，加上井下无线电通信技术在相当一部分矿井中还没有得到充分应用，因此在采矿设备的设计制造中，对它能产生强大噪声的这个问题几乎没被设计者考虑过。而在移动通信中，噪声是除损耗和衰落外影响通信质量的又一重要因素。在煤矿生产中，一般是24h连续生产，机电设备配置量大，功率高，启动频繁，所产生的电气噪声频谱宽，电平高，对通信设备的影响非常大。

4 MIMO技术在煤矿井下移动通信中的应用

随着移动通信的不断的发展，数字以及多媒体业务的不断增多，人们对通信质量、通信速度、通信的可靠性方面的要求越来越高。显然，传统的无线通信方式已经不适用与现代的高速通信中。在传统的无线通信系统中，大多应用单输入单输出系统，在该系统中发射端和接收端通常是各使用一根天线。相对SISO而言，在MIMO系统中的发射端和接收端都各自设置多根天线，如果不同发射天线之间的距离足够远并且接收天线之间的距离也足够远，那么其中的散射和干涉将构成许多独立的通道，在MIMO系统中，因多对天线而构成了多个通信的信道，由于信道之间是相互独立的，所在在这些信道中传输的数据也是相互独立的，这样就会使得在固定的总传输功率的条件下，基于MIMO技术的通信信道比单入单出（SISO）系统拥有更高的传输容量，突破了SISO信道容量的瓶颈，并且随着信道容量的增加发射机与接收机的个数线性增加。因此，MIMO技术被广泛应用于无线通信中。

仿真结果表明，天线数目对信道容量有显著的影响，随着信噪比的增加，信道容量不断提高；天线数目的增多，MIMO系统容量也不断增加。

5 结语

将MIMO技术的诸多优点应用到井下无线通信系统中来提高其抗干扰和抗噪声性能，是解决煤矿井卞移动通信技术难题有效的方法，同时把矿井移动通信推向实用，也会起到十分重要的作用。由于地下巷道环境与地面以及室内环境的区别，地面上以及室内对MIMO信道容量的研究不能简单照搬到地下受限空间，还需要更深入而全面地研究MIMO技术在地下环境中的应用。

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