大规模的超宽频信道的衰落和时间色散参数在地下矿山gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

射频信道测量在地下矿山在移动通信领域有着重要的应用为提高运营效率和工人的安全。提出了一个实验性的研究超宽带(UWB)无线频道,基于大量的探测活动覆盖了地下矿山环境。测量进行了2 - 5 GHz频段。各种通信链路被认为包括视距(LOS)和non-LOS仿真结果)场景。在这篇文章中,我们感兴趣的更多细节RMS时延扩展的变化意味着过多的延迟和Tx / Rx分离,和RMS的变化意味着过剩。的距离依赖的路径损耗和阴影衰落统计数据还在调查中。给一个想法关于超宽频通道在地下矿山的行为,我们的方法的比较与其他出版作品给出包括路径损耗指数,阴影衰落方差,意味着过多的延迟,和RMS时延扩展。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

在过去的几年,一些矿业公司投资于现代通信系统为了提高生产力,自动化流程,降低运营成本。远程监控、视频传输速度非常高,和手机技术的广泛使用,都是感兴趣的。矿工的安全也是一个问题,由健康和安全监管制度。gydF4y2Ba

地下通信系统仍然依靠模拟技术。数字升级现代化遗留技术使用同轴电缆传输重要的信号如语音、视频和遥测。因此,所有连接设备可以受益于从数字技术效率的增加。gydF4y2Ba

然而,当涉及到移动设备,唯一的媒介是无线电波。移动射频通信在矿业中很重要,因为它可以提高运作效率和工人的安全gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。成功射频通信要求的理解射频传播渠道在我的隧道。在这种环境下通信系统是一个方便的日常活动。然而,在紧急情况下,它可能成为至关重要的。在一场灾难,如火灾,传统的有线通信系统可能会变得不可靠,需要一个无线广播系统。gydF4y2Ba

宽带是一种无线电通信技术使用在一个非常宽的频率带宽信号,通常在500 MHz的顺序来几个GHz。这种特殊性可能被利用来开发通信系统与高速和低速率的无线通信和定位能力(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

超宽频通讯系统的发展已经成为一个学术和工业密集的研究活动的社区。大量的工作已经在这个领域进行,和大量的实验探测活动是为了描述超宽频传播渠道(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。例如,IEEE 802.15.3a和IEEE 802.15.4a任务组开发的超宽频信道模型的仿真系统提出了标准化(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。超宽频通讯系统的分析和设计需要一个准确的信道模型来确定最大可实现的数据速率,设计高效的调制方案,并研究相关的信号处理算法。因此,准确的信道特性对超宽频收发器设计和系统资源的有效利用频谱和传输等权力。传播通道集基本限制超宽频通讯系统的性能。gydF4y2Ba

本文描述的一些参数的超宽频通道等地下矿山提取意味着过多的延迟和RMS时延扩展。大规模建模是链路预算计算和系统设计的一个重要特征。因此,这个参数也是本文研究。在下一节中,我们详细描述环境、测量活动,和用于数据采集的方法。结果在分析包括大规模建模时间和分散的超宽频通道在地下矿山在部分进行了总结gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。我们给的比较结果超宽频和宽带频道发表在部分gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。部分gydF4y2Ba5gydF4y2Ba本文总结道。gydF4y2Ba

2。测量设置、环境和方法gydF4y2Ba

测量活动进行了一个真正的地下矿山。这个前金矿位于蒙特利尔西北约530公里,现在由MMSL CANMET(采矿和矿物科学Laboratories-Canadian矿产和能源技术中心),可以执行测试和试验领域。画廊的尺寸2.5米和3米之间不同的宽度和高度是3米,典型的传统。gydF4y2Ba

因为我们给其他传播实验的细节我段(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba8gydF4y2Ba),这里我们要总结本文的基本问题。矢量网络分析仪(VNA)是用于声音广播频道的经典gydF4y2Ba参数测量过程。VNA记录1601年的变化复杂的音调在2 - 5 GHz频段。由此产生的频率分辨率为1.875 MHz隐含最大可解析533纳秒的延迟测量信道冲激响应(CIR)。gydF4y2Ba

静态条件下保证信道的脉冲响应不需要在不同时间VNA收集所有必要的数据。VNA的两个端口连接到发射器和接收器天线。Electro-Metrics em - 6116天线用于传输和接收(图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

探测信号传输的功率20 dBm。天线同轴电缆用于测量被精心挑选。同轴电缆的衰减(风暴,真正的蓝色)被发现非常高。使用被动测量装置中的元素(电缆、SMA连接器,等)实施系统和频繁的校准测量,为了补偿不良频率相关衰减的因素可能影响收集到的数据。VNA手册的建议后,校准通过响应类型被选中,电缆和连接器包括校准。gydF4y2Ba

Rx天线放置在约1米的高度。Tx天线固定在1米的高度和安排gydF4y2Ba矩形网格间距与7厘米,略小于半波长测量最低频率(2 GHz),获得大约独立样本。两人视线(图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)和nonline-of-sight(图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)配置了。gydF4y2Ba

我们可以看到数据gydF4y2Ba2gydF4y2Ba和gydF4y2Ba3gydF4y2Ba画廊的墙上有一个显著的粗糙度。画廊构成通道与多个路径。存在许多障碍(电线、通风系统、电缆和管道附近天花板)或多或少,他们作为反射面波。画廊的地板相当起伏和不同大小的一个可以看到路边的水坑。gydF4y2Ba

2.1。为洛杉矶例测量gydF4y2Ba

在这个测量运动、发射天线保持在固定位置而接收天线感动在变量的距离从1米到12米之间的测量(图1米一步gydF4y2Ba4(一)gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

2.2。测量对于仿真结果的情况gydF4y2Ba

这活动是类似于洛杉矶的情况。然而,由于近距离的难度将接收天线,由于我的拓扑,我们开始在5米测量。测量的原理图如图设置gydF4y2Ba4 (b)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3所示。测量数据处理gydF4y2Ba

从信道测量和提取特征的广播频道参数创建统计信道模型是一种常见的方法来评估性能的空气界面候选人的错误率和中断概率。因此通道探测的主要目的是正确模型超宽频通道。因此,如果多路径介质特征,发射机和接收机可以设计以减少多径衰落的影响。gydF4y2Ba

3.1。大规模的建模gydF4y2Ba

超宽频系统,据报道,路径损耗模型可以简化假设频率依赖和依赖的距离可以相互独立地处理:gydF4y2Ba 然而,gydF4y2Ba已经分析了(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。因此,在本文中,我们分析了路径损耗的距离依赖。gydF4y2Ba

3.1.1。路径损耗的距离依赖gydF4y2Ba

信道的路径损耗表示衰减信号通过介质传播时发生。频率响应从VNA获得被引用为仿真结果1 m洛杉矶和5 m,为测量中所描述的过程。使用测量频率响应数据,平均路径损耗在任何距离gydF4y2Ba可以使用下面的估计方程:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba表示gydF4y2Ba在频率信道传递函数快照gydF4y2Ba在距离gydF4y2Ba,gydF4y2Ba是观察到的频率,然后呢gydF4y2Ba是频率响应的数量随着时间的推移摄像镜头。众所周知,平均路径损耗引用一段距离gydF4y2Ba距离可以建模为一个函数的使用:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba在我们的例子中,参考距离吗gydF4y2Ba洛杉矶(= 1米gydF4y2Ba= 5 m,仿真结果和gydF4y2Ba是拦截点,gydF4y2Ba被称为路径损耗指数,然后呢gydF4y2Ba的阴影衰落参数随机变化从一个位置到另一个地方。gydF4y2Ba

方程(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)被用来计算路径损耗的各个功率脉冲响应测量和空间的平均功率脉冲响应。gydF4y2Ba

在本文中,每个测量的平均功率计算平均功率超过所有采样点的测量频率响应。使用线性回归分析,最小均方误差(MMSE)线计算平均功率的依赖(dB)的对数的距离为每个全球实验。回归线的斜率的实验价值gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba显示了一个散点图的接收功率(dB)和对数尺度距离测量和MMSE线拟合数据。线性回归分析gydF4y2Ba洛杉矶和= 1.47gydF4y2Ba= 2.45仿真结果。gydF4y2Ba

3.1.2。阴影衰落gydF4y2Ba

由于周围环境的变化,gydF4y2Ba观察到在任何给定的位置将偏离其平均价值。这种现象叫做阴影衰落,据报道,许多测量(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba15gydF4y2Ba遵循对数正态分布分布。在(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba),阴影衰落参数是由这个词gydF4y2Ba随机变化从一个位置到另一个地方。这是一个为系统随机变量在dB标准差gydF4y2Ba这也是在dB。gydF4y2Ba

的统计分析gydF4y2Ba给了gydF4y2Ba洛杉矶和= 1.1gydF4y2Ba分别为= 2.94仿真结果。累积分布函数(cdf)安装和测量数据之间的偏差是策划与正常cdf(数字gydF4y2Ba6gydF4y2Ba和gydF4y2Ba7gydF4y2Ba)。这些曲线表明,阴影衰落对数正态分布。gydF4y2Ba

3.2。分散性能的超宽频通道gydF4y2Ba

超宽频信道的色散性质可以被看作是一个扩展的大规模研究通道。有两个参数是描述和分析。这些参数是RMS时延扩展gydF4y2Ba和平均过量延迟gydF4y2Ba。这两个重要参数是用于描述时间色散特性的多路径通道。这是有用的估计性能和ISI的潜力。gydF4y2Ba

3.2.1之上。数学模型gydF4y2Ba

离散数学模型用于复杂线性滤波器的脉冲响应是变量延迟和是由复杂的权重和变量gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是可分解的多路径组件的数量,gydF4y2Ba,gydF4y2Ba,gydF4y2Ba是随机振幅,延迟时间(到达时间),和相位序列,分别和gydF4y2Ba狄拉克δ函数。gydF4y2Ba

通过获得足够的统计建模的随机变量,我们可以提供一个完整的描述的多路径通道。gydF4y2Ba代表了测量位置,gydF4y2Ba是测量即时。而gydF4y2Ba根据不同的位置不同,gydF4y2Ba不会考虑测量以来没有任何移动物体的干扰(人或车辆)和静止Tx和Rx。gydF4y2Ba

根据这一模型,接收到的信号是传输信号的卷积与复杂的脉冲响应,添加信道噪声,通常建模为一个复杂的高斯过程。gydF4y2Ba

除了以上随机变量的统计信息,提取的另一个重要参数,即RMS时延扩展(gydF4y2Ba)。这是一个多路通道的一个数字表示计算从其复杂的脉冲响应,给出了一个估计的码间干扰(ISI)遇到的通道。gydF4y2Ba

许多研究人员报道有关的测量结果gydF4y2Ba在室内环境(超宽频通道gydF4y2Ba9gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba11gydF4y2Ba),住宅(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba14gydF4y2Ba),和在工业环境中gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。计算使用gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是第一个到达的时间多路径组件超过预定义的阈值,gydF4y2Ba的到达时间序列多路径组件,然后呢gydF4y2Ba平均过量延迟的计算公式:gydF4y2Ba

很明显(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba),gydF4y2Ba的平方根是第二个中央能量重心延迟概要的时刻。gydF4y2Ba

3.2.2。RMS时延扩展,意味着过多的延迟gydF4y2Ba

通道参数RMS时延扩展和过剩意味着延迟计算为每个收到概要文件在每个接收机的位置在洛杉矶和仿真结果情况。图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba显示了累积分布函数(cdf)洛杉矶的RMS时延扩展的变化,仿真结果与两种不同的阈值。(第一个到达的时间路径可以通过应用一个阈值接收信号的峰值。在我们的研究中,我们使用两种不同的阈值(例如,15分贝和20 dB))。gydF4y2Ba

最大的变化在洛杉矶的RMS时延扩展环境是11.8纳秒15分贝和23.6纳秒,20分贝。仿真结果的环境,他们大约29.07纳秒(15分贝)和44.38纳秒(20 dB)。这表明仿真结果渠道受到高空间变化的RMS时延扩展。这可能归因于存在更多的散射,因此比在洛杉矶的环境中仿真结果环境中的路径。的变化意味着过多的延迟也预示着一个类似的模式。图gydF4y2Ba9gydF4y2Ba显示了它的的意思是多余的延迟。综述了RMS的变化,意思是多余的在桌子上gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3.2.3。RMS时延扩展的变化gydF4y2Ba

的依赖关系gydF4y2Ba收发分离是一个重要的结果,如果建立可以极大地影响系统设计。回顾以前的作品显示了有关此主题的分歧。一些宽带测量室内通道显示之间的相关性gydF4y2Ba和Tx / Rx分离(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba),而其他人则表示没有相关(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

我们测量的时间色散参数绘制和数据收发两用机分离gydF4y2Ba10gydF4y2Ba和gydF4y2Ba11gydF4y2Ba。一些研究人员在超宽频通道测量(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba)报道,距离和延迟扩展之间的相关性,这种相关性是显而易见的从我们的数据集。因此,由于这些数据集表示一组相当多样化的环境中,得出的具体环境和距离,物理环境有更重大的影响的时间比距离信道的色散性质。地下画廊认为,随机反射的影响的RMS时延扩展和距离之间的关系。gydF4y2Ba

RMS时延扩展值绘制与对应的意思是过度延迟值。如数据所示gydF4y2Ba12gydF4y2Ba和gydF4y2Ba13gydF4y2Ba没有明确的相关性的变化意味着过多的延迟可以建立。gydF4y2Ba

4所示。与超宽频和宽带发表的结果gydF4y2Ba

许多测量运动和信道建模工作已经描述了超宽频通道。一些研究人员进行频域测量使用矢量网络分析仪。此外,一些时域,直达脉冲测量系统已经使用了超宽频通道测深。然而,很难给出一个全球对比我们的测量和其他出版工作(根据不同的测量环境,场景,频率带宽,等等)。因此,在本小节后,我们很有趣给概述超宽频通道测量。gydF4y2Ba

4.1。比较与其他超宽频大规模建模gydF4y2Ba

窄带系统的报告路径损耗指数在1.6和1.8之间为4和6之间打造洛环境和士气阻塞打造环境[士气gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

超宽频的路径损耗指数是可比的路径损耗指数对于窄带LOS场景,但仿真结果更小场景。在[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba),报告的路径损耗指数是低至1.27一条狭窄的走廊。洛杉矶和仿真结果的情况下,全球路径损耗指数几乎被发现是1.6和2.7,分别。根据(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba),gydF4y2Ba指数和SDS洛杉矶1.7和1.5 dB,分别对仿真结果分别为4.1和3.6 dB,。gydF4y2Ba

在[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba),的报告值gydF4y2BaTx / Rx分离从1到20 m是1.18,2.18,2.48,2.69,洛杉矶(三居室公寓),仿真结果(三居室公寓),洛杉矶(四居室公寓)和仿真结果(四居室公寓),分别。根据(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba),gydF4y2Ba指数和阴影的标准差(SDS) 2.4和5.9 dB,分别跟踪的最佳模式是对数正态分布分布。的gydF4y2Ba指数据报道在gydF4y2Ba31日gydF4y2BaSDS的)1.7和3.5和1.6 dB和2.7 dB洛杉矶和仿真结果,分别。其他报告的路径损耗指数和标准偏差值根据以往的测量跟踪活动总结在表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

4.2。比较与其他超宽频时间色散参数gydF4y2Ba

预计在5 - 30米范围内,室内通道有RMS时延扩展的19-47纳秒(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba)和平均值的20 - 30纳秒(gydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。例如,Keignart和丹尼尔gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]介绍了他们测量的最大射程10米在室内超宽频通道。他们发现,他们测量了RMS时延扩展不同14至18低于所报道的纳秒Hashemi和ThollgydF4y2Ba33gydF4y2Ba]。他们还发现,平均延迟增加当收发天线分离增加过剩。gydF4y2Ba

一些出版的作品(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba)表明,一个相当保守的RMS时延扩展的25个纳秒将会是一个良好的初始起点个人区域网络(PAN -)类型应用程序与天线分离大约10米或更少。gydF4y2Ba

RMS时延扩展似乎遵循正态分布(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]。对于洛杉矶的情况,在gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]gydF4y2Ba纳秒= 9日在(gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba]gydF4y2Ba= 4.7纳秒gydF4y2Ba= 2.3纳秒,在gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]gydF4y2Ba= 2 -纳秒和gydF4y2Ba= 3.3报告纳秒。仿真结果的情况下,在gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]gydF4y2Ba= 11.5纳秒,在gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba]gydF4y2Ba= 8.2纳秒和gydF4y2Ba= 3.3纳秒和在gydF4y2Ba34gydF4y2Ba]gydF4y2Ba14 - 19 =纳秒和gydF4y2Ba= 1 - 5纳秒,报告。表gydF4y2Ba3gydF4y2Ba和gydF4y2Ba4gydF4y2Ba目前的文献中报道结果RMS时延扩展,gydF4y2Ba,意思是多余的延迟,gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

4.3。比较窄带和宽带频道在地下矿山gydF4y2Ba

其他结果已经出版的窄带和宽带信道的描述地下矿山的环境。Nerguizian et al。gydF4y2Ba35gydF4y2Ba)发现,路径损耗等于2.16标准差为6.13;阴影衰落并不是。作者也表明RMS时延扩展是27纳秒23.5标准偏差。Lienard和DegauquegydF4y2Ba36gydF4y2Ba已经观察RMS延迟传播19纳秒在洛杉矶的条件下的地下矿山画廊和25纳秒42纳秒在仿真结果的条件下。Hamalainen et al。gydF4y2Ba37gydF4y2Ba)观察到的总延迟传播不超过500纳秒。gydF4y2Ba

5。摘要和结论gydF4y2Ba

本文分析大规模的衰落和时间色散参数(RMS时延扩展和过剩意味着延迟)的超宽频通道在地下环境中。gydF4y2Ba

我在实验室里进行了测量。我们已经看到,在大规模建模的情况下,传播在地下矿山建模(路径损耗指数和阴影衰落)与其他通道模型在文献中找到。然而,参数有很大的不同。的路径损耗指数衰减被发现低于空间(例如,gydF4y2Ba洛杉矶的情况),因为额外的反射所导致的接收功率。gydF4y2Ba

此外,我们发现周围的接收信号功率的变化理论模型遵循对数正态分布分布。阴影衰落的平均标准偏差(dB)被发现gydF4y2Ba洛杉矶和gydF4y2Ba分别对仿真结果。gydF4y2Ba

结果表明RMS时延扩展的值是11.8纳秒(29.07纳秒)洛(仿真结果)。在这两种情况下,这些值小得多的传统的窄带系统相比类似的环境。这意味着可以实现高数据率在地下矿山使用超宽频。使用超宽频然而,与一些有趣的应用程序(例如,跟踪和定位),需要适度日期率低,其他应用程序(如IP视频、无线摄像头)需要high-date利率可以部署在地下矿山。因此,超宽频被认为是适合所有这些应用程序。gydF4y2Ba

在未来几年,超宽频将成为一个可行的、有竞争力的无线技术。事实上,超宽频无线通信可以提高流程操作,产品质量,和生产力,促进矿业的安全,提高在灾害救援行动。gydF4y2Ba

我们也看到了,没有相关性RMS时延扩展和Rx / Tx分离。这个属性可以解释的直接影响散射在地下矿山(部分进行了总结gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。这最后的产生更重要的影响通道的时间色散性质比发射机和接收机之间的距离。因此,地下画廊认为,随机反射的影响压扁RMS时延扩展和距离之间的关系。gydF4y2Ba

本文提供的结果(与其他作品)目前利用无线局域网通信的设计和地下采矿的本地化应用程序环境。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项工作是支持的魁北克大学en Abitibi Temiscamingue (UQAT)。作者要感谢领头的持续指导实验室。作者也要感谢MMSL-CANMET的人员(采矿和矿物科学Laboratories-Canadian矿产和能源技术中心)实验。gydF4y2Ba

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