超宽带信道参数测量的实验表征地下矿山

文摘

实验结果为超宽带(UWB)信道参数在一个地下采矿环境3的频率范围?10 GHz吗?GHz报告。测量是在洛杉矶和仿真结果的情况下在两个不同的大小我的画廊。在仿真结果的情况下,结果获得了不同通道阻塞角度。结果在一个广泛的测量运动的超宽频的频率,和测量程序允许的大型和小型等参数的路径损耗指数,相干带宽,等等,要量化。超宽频信道的容量的函数的物理深度我画廊也被记录进行比较。

1。介绍

超宽频无线(UWB)是一种技术,吸引了大量的兴趣来自学术界,行业,近年来全球标准化的身体。fcc被定义为超宽频信号在10 ?dB带宽大于25%的中心频率的辐射1]。

超宽频无线技术,提供了许多优点,主要是高速数据传输,短期脉冲,低功率谱密度,大瞬时带宽。这些规范允许共存与其他现有技术,使好的时间分辨率。许多研究表明,超宽频短程多址通信是一个很好的候选人在密集多径环境中(2- - - - - -4]。超宽频系统的潜力提供了以下特点:多个访问由于广泛的传输带宽,精确的定位和测距,缺乏明显的多路径衰落由于细延时分辨率,和保护通信由于传动功率较低。

为了建立一个合适的模型超宽带信道的行为时使用设计WB通讯系统来支持应用程序在地下矿山的环境中,那么重要的是要有一个全面了解传播通道的约束。

近年来,一些测量运动特征挖掘地下通道进行了Telebec通信研究实验室(LRTCS)位于瓦尔' or的矿区,QC,加拿大5,6]。这个实验室,专业从事复杂的封闭区域通信,我已在处理一个独特的实验(CANMET-Canadian矿产和能源技术中心)。

在地下通道传播环境的描述多年以来一直是一个研究领域,但这些研究几乎只在进行隧道。另外,许多传播测量进行了室内窄带传播渠道,和几个模型提出了在文献[5- - - - - -7]。然而,由于他们的测量带宽限制,他们不恰当的超宽频系统。

同样,超宽频通道的测量和表征室内和室外环境(8- - - - - -11)也表现在这种类型的环境。然而,尽管这些不同的研究成果,仍有相当缺乏的信息传播特点,超宽频系统在密闭环境中。

本文的目标是展示超宽带(UWB)的测量和表征地下采矿环境中传播和对细节的实验过程和测量设置用于收集数据。实验过程和位置测量报告进行了完整的细节;然后,获得数据的后处理解释道。最后,结果与信号质量,小规模的效果,大规模的路径损耗指数,时间色散参数,和能力进行了讨论。一些特定站点的趋势和观察描述,频道表现两种类型的指令和全向天线进行了比较。

本文组织如下。节2、矿业环境设置和测量。节3,相关通道参数提出了基于测量。部分4给出了结论。

2。测量系统

密集的测量进行了地下画廊前金矿在瓦尔' or CANMET, QC,加拿大。在两个层次上进行的测量(40吗?我米和70 ?米)。这些测量的目的是为了实现两个传播频道的描述基于统计分析和建模信道的脉冲响应。测量被视线(LOS)和非线性的仿真结果)场景。之间的测量是1 ?m和10 ?洛杉矶,在仿真结果的情况下,定期间隔1 ? m。图中描述的测量计划的描述1。

2.1。测量计划

测量的目的是探讨小-和大规模信道的统计数据的变化。大规模的变化是由于高天线分离变化,一米,例如,小规模的变化表明当移动天线位置变化的统计数据的变化几厘米。环境主要由非常粗糙的墙壁;地板上是不均匀的,有些水坑的水主要是在高度70。图1说明了画廊的地图,所有相邻的画廊,70级。

在70级,我的尺寸大约2.5是走廊?在宽度和3 ?米高(图2)。画廊墙壁是不连续的,画廊用于实验的长度是70级长约80米和100米在40级。在仿真结果的情况下,在不同的角度测量的阻塞。

在40级,4是我走廊的尺寸?米宽约5 ?米高。这个画廊是广泛的和高于70级,和地面坡度约为15度。

2.2。测量

一个矢量网络分析仪(VNA)是测量设备,可以测量散射参数的参数,使的振幅和相位反射和/或传输系数测试设备,超宽频通道。一个通信信道可以被视为一个两口的被动元件与输入和输出端口位于发射机和接收机,分别。使用VNA作为收发器的优点是其加强扫描频率操作方式和其固有的能力在一个宽量程频带(10 MHz-40 ?安捷伦E8363B GHz),同时保持高接收机灵敏度。对于每个点考虑,VNA用于测量和记录复杂的频率响应,S₂₁在一7参数,?(BW)集中在6.5 GHz带宽? GHz。

进行了测量与发射天线在一个固定的位置,而接收者沿着画廊。对于每一个位置,一个专门搭建的九点网格用于测量横向间隔点周围的名义接收机的位置。空间点之间的距离是1 ?厘米,让我们避免在非常接近的频率信号之间的相关性。在所有测量,发射和接收天线的高度保持在1.5 ?m在同一水平面,通道保持固定,确保没有运动在周围的环境中。为了确保对齐,激光是用来保持同样的水平。

在端口1,一个信号被发射,接收,接收天线连接到其他港口VNA的同轴电缆,几米长。的复杂通道传递函数₂₁参数(3,11,12]。

ARA定向天线(drg - 118 / A)使用发射器。在接收机,两种类型的天线。一个全向(em - 6116)和定向drg - 118 /已使用。em - 6116垂直极化天线,覆盖频率范围从2到10 ? GHz。drg - 118 /天线有线性极化和增益变化从9.1到12.2 ? dBi。3吗?dB波束宽度是35°20°E-plane和h面,分别。这些天线几乎平坦的频率响应从2 ?GHz 10 ? GHz。采用多次RLNA01M10G, RF-Lambda的产物。它涵盖了一个频率范围从0.1到18 ?GHz, and noise figure is stable along the frequency range. The gain is equal to 30?dB.

为了能够减去可能的天线效应的测量,参考案例被认为是通过测量频率响应的两个天线在第一计,然后减去从其他措施。在测量放大器是不习惯因为发射机和接收机之间的距离只有几米(10 ?米)。射频电缆的长度很短,以避免不必要的通道特性的影响。图3介绍了信道测量系统的原理图。

的传输端口VNA席卷16001离散频率范围从3 ?10 GHz吗?GHz均匀分布在带宽,和接收端口测量每个频率分量的大小和相位。图4显示了一个测量复杂通道传递函数得到的矢量网络分析仪。

的频率跨度500 ?kHz选择足够窄,衍射系数和介电常数可以被视为常数的带宽内7 ?GHz (5]。在每个发射机和接收机之间的距离,通道传递函数测量10次,为了减少测量随机噪声的影响,然后存储在一个电脑硬盘通过USB接口。

从理论上讲,7的时间分辨率?GHz带宽约为143 ? ps。在实践中,由于使用窗口,时间分辨率估计2 /带宽和VNA的打扫时间却降低了准静态假设验证的通道。的频率分辨率437.5 ?kHz给最大延迟范围2 ?µ对应于600 ?m最大路径长度足够多的最大距离(10 ?米)分离Tx和Rx,天线测量的设置。

3所示。结果

什么是测量在时间和频率域,一个通道响应一个有限的带宽,是由仪器或测量过程。结果是真正的卷积相当于信道脉冲响应与sinc函数的持续时间成反比的带宽测量。在处理测量信道脉冲响应之前,有限带宽的影响通过反褶积或窗口必须被删除。窗口是应用于信道频率响应,以抑制分散精力相邻延迟垃圾箱。信道频率响应然后转化成复杂的基带信道脉冲响应通过应用快速傅里叶反变换(传输线)。图4提出了一种频率响应测量的距离5米不同的天线(全向和定向)。

5米高的频率响应值由于天线和放大器增益。

全向天线的频率响应之间的差异和指令天线很容易注意到(约10吗?dB的区别)。这种差异是由天线增益(1 ?dB和12 ? dB)。

3.1。大规模的衰落和路径损耗和阴影效果

信道的路径损耗是通过介质传播时的衰减信号经历和是一个重要的参数在设计无线通信系统的有关报道。执行一个参考测量的距离从发射机。

超宽频系统的路径损耗模型可以简化假设频率和距离的依赖可以相互独立地处理:

在频率分析中,通常使用两个参数:频率范围确定的测量范围,和频率衰减因子。几位工作13,14)表明,路径损耗的频率依赖性的特点是这个因素。路径损耗频率依赖的模型主要用于显示如下。

这两个模型被用来适应变化的路径损耗作为频率的函数。用非线性最小二乘曲线拟合测量数据,如图11的值展示在表1。

这些值几乎相等,可以得出结论,画廊的几何形状并不影响频率衰减因子。

使用对数正态分布阴影的假设,路径损耗指数,在距离,与接收机电源通过 在哪里是参考距离;在我们的例子中,拦截点和吗阴影效应建模是一个零均值高斯分布的随机变量标准偏差。我们在洛杉矶进行了测量和仿真结果。在洛杉矶的情况下,测量了1 ?m和10 ?m和仿真结果情况下是1 ?m和10 ?米,间隔1 ? m。获得的结果给出数据5和6。

表2和3路径损耗指数不同的配置。

相同的天线在70级在40级,路径损耗值接近,只有一个小的区别,可能由于画廊的宽度。洛杉矶例中的路径损耗指数= 1.80 70和1.87在40级水平。他们与自由空间路径损耗指数。

路径损耗指数的结果值是由于多路径信号除了和他们所观察到的类似3对于室内环境。

在仿真结果中,所不同的是由于画廊的配置。在70级,也有一些水坑的水。获得的结果告诉我们,路径损耗是独立于画廊的深度。

3.2。小规模衰落和延迟传播的结果

延迟传播参数强调权力分配的时间相对于第一个到达组件。延迟传播限制传输数据速率和多用户系统时可能会限制系统的能力。超宽频信号的延迟到来可以提出的比例平均到达延迟传播到达时间。

最合适的方法来描述的快速波动振幅,相位和多路延迟传播的超宽频信号通道脉冲响应的统计特性。多路径的数量在一个地下环境更重要的是由于从地面反射和散射,屋顶,周围的墙壁。最好的参数允许我们测量多路是均方根时延扩展。这个参数决定的频率选择性信道,降低对广播频道数字通信系统的性能。RMS时延扩展也限制了最大数据传输速率可以通过通道。不使用多样性或均衡,RMS时延扩展成反比的最大可用数据速率通道。

时间色散参数给出的配方15] 在哪里和是意味着过多的延迟和PDP的二次矩,分别。我们可以计算出意味着过多的延迟 在哪里,,是获得、力量和延迟的吗分别th路径。

为了避免噪声的影响多路径到达时间的统计,一个阈值25 ?dB下最强的路径选择在洛杉矶和仿真结果情况。这些假设,均方根时延扩展被发现和结果中描述如下表。

表4显示指令天线的RMS时延扩展表5为结果提供了一个全向天线。

测量结果表明,没有明显的优势在使用指令或无方向性。这可能解释为画廊的布局,在多路径组件往往有一个有限的到达角范围由于传播的引导性质的画廊。

确定最佳分布代表实验结果Kolmogorov-Smirnov测试使用。分布,即瑞利、大米、Nakagami,威布尔,对数正态选择中最常用的无线通信。

40级的RMS时延扩展是策划和呈现在图7以及对70级两种类型的配置(洛杉矶,仿真结果)。

比较有许多累积函数进行了分配,和最适合被发现为对数正态分布(图8)。与这些配件,钴测试水平40和70年收益率相同的结果。

在任何情况下,40到70年水平,结果是一样的。同时,相同的结果无论测量配置的画廊和天线的形状。使用这些结果,相干带宽,它被定义为的范围的频率通道可以被认为是平(15),可以很容易地计算。相干带宽被定义为50%

这些结果可能允许我们确定的最大带宽可以用于超宽频通信在一个狭小的地下不均衡。

3.3。信道容量分析

最高的信息,可以通过一个通道传播称为信道容量。评估信道容量,整个带宽超宽频的信道分成许多小的子信道带宽。从来,光谱可以被认为是相当于一个平坦衰落信道。因此,通过(16,17),相当于的能力 在哪里是频域的数量样品,是测量通道的频率响应,频带的传输功率分布,是一个零均值高斯白噪声功率谱密度,然后呢是信道的带宽。

信道容量计算为每个测量假设只有10的信噪比?dB,结果如图9。

找到通道容量减少的距离,它也取决于画廊的配置。天线类型对信道容量的影响已被调查。最大区别是1.85 ?bps / Hz之间被观察到的指令和全向天线。这可以解释为指令天线接收更多的权力因其辐射模式图。最好的结果是获得洛杉矶配置和定向天线。然后发现最大容量等于3.778 ? bps / Hz。

信道的容量不同级别的矿业画廊也被计算。

定向天线,在美国情况的能力几乎是相同的在不同级别的矿业画廊。在仿真结果的情况下,观察到微小的区别,但这是由于我的画廊的配置。这一结果表明,超宽频信道容量不随画廊(图的深度10)。

4所示。结论

大型和小型参数的分析介绍,和基本参数推导中执行这些测量直线隧道7 ?GHz带宽(3 GHz-10 ? GHz)。这项研究的结果可以作为一组独特的结果描述复杂的媒体传播。

这些结果表明,物理深度画廊并不影响路径损耗指数。观察到的小的差别主要是由于画廊的宽度。另一方面,RMS延迟绑定到我的深度解释是有更多的吸收和干扰在70级。

对于小规模衰落,对数正态分布分布符合很好振幅测量阶段时使用均匀分布更好的代表,与一系列值随纵向距离和频率的增加而减小。

信道容量取决于距离和指令天线给最好的结果。它不依赖于画廊的深度。

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