我国矿山开采规模不断增大，对矿山安全与效率的要求也越来越高[1]。可靠的通信与监测系统是矿山安全与效率的重要保障[2-3]。地下矿山主要由地下巷道和矿山井筒组成。目前在地下巷道中，通信与监测系统已比较完善，除有线系统外，无线系统也得到了广泛的应用，如WiFi电话、RFID人员与机车定位、WNS无线传感器网络[4]等，实现了对人员、车辆、重要设备的实时监测，对提高井下安全与效率发挥了重要作用。然而，矿山井筒作为连接井上与井下的“咽喉”，提升容器作为运输人员、物资、矿石的关键设备，却仍是信息孤岛与监测盲区。从矿山安全与效率角度看，有必要实现井筒设备的通信与监测。考虑提升容器的运动性，无线通信优势明显。但无线通信性能严重依赖收发机之间的信道特性，对于室内、巷道、井筒等特殊环境，信道测量与建模是系统设计的基础[5]。
关于地下巷道中信道研究的文献很多。对于窄带特性，EMSLIE[6]用波模理论推导了有损电导矩形巷道中的电磁波衰减特性;ZHANG[7]结合自由空间与波导理论给出了路径损耗的断点模型;孙继平[8]提出了便于工程计算的三段式衰减模型。宽带特性更复杂，与环境关联更密切，试验研究可以提供更准确的结果。QARAQE[9]测量了巷道中900 MHz频段的宽带特性并与走廊信道进行了对比;NERGUIZIAN[10]测量分析了巷道中2.4 GHz频段的窄带与宽带特性并对比了不同底噪阈值对测量结果的影响;BOUTIN,HAKEM[11-12]分别测量对比了地下巷道中2.4,5.8 GHz频段的宽带特性;杨维[13]对类矩形巷道中900,1 800,2 400 MHz电磁波的宽带特性进行了仿真。这些研究对于地下巷道中的无线应用起到了积极的推动作用。然而，目前未发现关于矿井井筒环境中信道特性的研究文献，给井筒中通信与监测系统的设计带来困难。
本文在真实井筒中开展了2.4 GHz典型频段下的窄带与宽带测量，呈现了路径损耗、时延扩展等重要信道参数并与巷道信道进行了对比讨论。在信道认知的基础上设计了基于WLAN的无线罐笼视频监控系统并开展了工业试验。
1 信道特性基础
1.1 窄带特性
窄带特性的主要参数为路径损耗，反映电磁传播过程中平均接收功率的衰减情况，是通信链路预算的主要参数。通用的路径损耗模型表示为
PL(d)=PL(d0)+10nlog(d/d0)+Xσ
(1)
式中，PL(d0)为参考距离d0处的路径损耗值，一般可选d0=1 m;n为路径损耗系数，是不同环境下对比的主要参数，在自由空间中n=2;Xσ为均值为0，标准差为σ的高斯随机变量，描述随机阴影效应。
1.2 宽带特性
宽带信道特性可以用信道冲激响应(CIR，Channel Impulse Response)h(τ)[10]来表示:
(2)
式中，N为多径数量;δ为冲激函数;ak，τk，θk分别为第k个多径的幅值、时延与相位。
宽带特性的主要参数有时延扩展和相干带宽，时延扩展描述信道的时间色散特性，是衡量码间干扰(ISI，Inter Symbol Interference)的主要参数。分为平均时延扩展
均方根时延扩展(RMS，Root-Mean-Square)τrms和最大时延扩展τmax，定义为
(5)
相干带宽是区分平坦性衰落信道和频率选择性信道的量化参数，可以由RMS时延扩展估计，相关系数为0.9的相干带宽Bc0.9表示为
Bc0.9=1/(50τrms)
(6)
2 测量方案
2.1 测量场景
测量时间为2016年4月，地点为湖南省衡阳市水口山有色金属集团某副立井。井筒深约670 m，井筒直径4.5 m，采用单罐笼带平衡锤配置。井筒内壁为混凝土结构，表面粗糙度1～4 cm。测量过程中罐笼中无人，收发机之间无障碍。
从工程应用角度考虑，井筒轴线为直线，存在良好的视距(LOS，line-of-sight)传输条件，因此罐笼到井口的点对点通信是良好选择。在点对点通信中，定向天线可以有效增加覆盖距离，并减小RMS时延扩展[14]，是良好的天线选择。因此，窄带与宽带测量中均选择同一副平板定向天线，这与巷道测量中考虑人员随机移动而大多选择全向天线有所区别。天线主要参数为:增益12 dBi，带宽2 300～2 500 MHz，波瓣宽度H30°/V30°。
2.2 窄带测量方案
窄带测量采用连续波(Continuous Wave)方法，方案如图1所示，发射机(Tx)采用射频信号源，频率设置为2 400 MHz，放置在罐笼内部。接收机(Rx)采用R&S FSH4手持式频谱与矢量网络分析仪，放置在井口附近的地面。笔记本电脑也放置在井口附近，通过以太网连接到频谱仪，由FSH4 View软件实现对频谱仪的控制与数据存储。同时，笔记本通过以太网连接提升机主控PLC，由WinCC软件读取并存储罐笼位置数据，以获取测量数据对应的收发天线距离。
图1 窄带测量系统
Fig.1 Narrowband measurement setup
收发天线分别通过3 m馈线与频谱仪、信号源连接。其中，发射天线通过安装板安装在罐笼顶部，在井筒截面的位置如图2所示，接收天线通过悬臂杆支撑在高出井口地面1.5 m处，对准发射天线。
图2 天线的截面位置
Fig.2 Cross-section position of antennas
测量时，罐笼以0.2 m/s速度缓慢下放，测量点选取为每隔0.5 m位置，每个位置测量4次，后处理时将其取平均，以减小偶然误差的影响。
2.3 宽带测量方案
宽带测量采用扫频法[10-11]，宽带测量系统如图3所示。基本原理为:矢量网络分析仪(VNA)作为核心设备，其端口分别连接收发天线，一个端口向空间发射扫频信号，经过无线信道由接收天线到达另一端口，由S21参数测得每个频率点的频域幅值与相位响应，再根据传递函数进行傅里叶逆变换(IFT)，得到近似的时域冲激响应(CIR)。测量时将R&S FHS4调至VNA模式，两个端口分别通过3,40 m射频线缆连接井口和罐笼顶部的天线，所用天线及天线位置与窄带测量相同。VNA设置中心频率为2 400 MHz，带宽为200 MHz，扫频点数为631点，扫频时间为20 ms。使用笔记本电脑同时存储测量数据与罐笼位置数据。
图3 宽带测量系统
Fig.3 Wideband measurement setup
所测信道实际为包含VNA、射频线缆等设备的信道，因此，在测量之前对系统进行校正，以去除设备自身影响[15]。定向天线则看作点对点通信信道的组成部分。受馈线长度影响，测量范围约35 m。测量过程中罐笼以0.2 m/s速度缓慢下放，测量点选择为每隔0.3 m位置。每个测量点测量4次，后处理时将其取平均，以减小偶然误差的影响。测量过程中收发天线之间无扰动因素，可以看作是准静态的。现场测量照片如图4所示。
图4 现场测量照片
Fig.4 Photo of measurements
3 测量结果与分析
3.1 窄带测量结果分析
路径损耗随收发距离的关系如图5所示。可知路径损耗呈现明显的分段特点，近场衰减剧烈，远场衰减平缓，这与空直地下巷道[10]的测量结果相似。使用分段线性拟合，得到前后两段(以27 m为分界点)的衰减率分别为0.85，0.03 dB/m，可见差异之大。用波模理论[16]解释为:近场存在很多衰减大的高阶模及模式相互作用与转换，因而衰减剧烈;而远场以衰减小的低次模为主，因而衰减平缓。
图5 路径损耗随收发距离的变化
Fig.5 Path loss as a function of the Tx-Rx distance
式(1)的通用对数模型对定向天线也适用[14]。拟合得到n=1.67，σ=2.7。文献[14]研究表明使用定向天线会增加n值。所测的n值仍小于自由空间中的n值，说明在井筒表现出了明显的波导效应。激发波导的因素是井筒长直圆筒的结构和井筒内的刚性罐道、通风管道之类的纵向导体。在空直地下巷道中所测的n值分别为2.16[10]，2.03[11]，2.05[12]，均大于本文测量值。主要原因是地下巷道中形状不规则，内壁粗糙度大(可达到25 cm)，波导效应弱。
3.2 宽带测量结果分析
由矢量网络分析仪测得的频域响应Y(f)通过IFT得到时域冲击响应:
h(τ)=IFT[Y(f)]=IFT[H(f)×w(f)]
(7)
式中，H(f)为所测信道的传递函数;w(f)为窗函数，用来降低频谱泄露，此处选择Hanning窗。
冲激响应的平方定义为功率时延谱(PDP，Power Delay Profile)，用来提取多径信息。底噪阈值的选取对提取结果影响较大[10]，阈值过大会丢失部分多径，使时延扩展和多径数目减小;过小会误将部分噪声作为多径，使时延扩展和多径数目增大。常用的选取方法为将PDP样本去掉25%最大值与25%最小值后取平均[17]，本文采用该方法。提取多径信息后由式(3)～(5)计算得到
和τmax的统计值，见表1。
表1 时延扩展参数统计值
Table 1 Statistical values of delay spread ns
RMS时延扩展为最重要的宽带特性参数，其均值为3.8 ns。在空直地下巷道中测量得到的RMS时延扩展均值27.4(20 dB阈值)[10]，6.5[11]，6.3[12]，均大于本文测量值。文献[14]研究表明定向天线可明显降低RMS时延扩展，原因是定向天线通过减小发射与接收波束角减少进入接收机的多径数目，同时通过方向性增益加强主径能量，削弱多径能量，最终减小RMS时延扩展。
RMS时延扩展随收发天线距离的关系如图6所示。可知，在9 m之前，RMS时延扩展随收发天线距离的增加而增加，在9 m之后则呈现出下降趋势。
图6 RMS时延扩展随收发天线距离变化
Fig.6 RMS delay spread as a function of Tx-Rx distance
为了进一步确定这种关系，对RMS时延扩展与收发距离进行相关分析，得到Pearson相关系数在9 m之前为+0.97，即两者表现出显著的正相关性，在9 m之后为-0.62，即两者表现出明显的负相关性。这与地下巷道不同，在地下巷道中的测量结果表明RMS时延扩展与收发距离几乎不相关[11]，主要原因是巷道截面不规则，壁面粗糙度可达25 cm，反射、折射随机性大。
绘制多径数目随收发距离的关系如图7所示，多径数目的均值为4.5径，9 m之后多径数目呈现出明显的下降趋势，与RMS时延扩展的减小趋势一致。这说明随收发距离的增加，能被检测到的多径越来越少。这一方面是因为随行程的增加多径信号大部分都衰减至低于噪声;另一方面是因为定向天线的使用，通过接收角度限制了进入接收范围的多径数目，距离越远，不规则反射、折射的多径进入接收范围的概率越小。多径数目的减少和多径能量的衰落综合造成RMS时延扩展的减小趋势。由此可以推测，在35 m测量范围之外，随距离的增加，多径数目将进一步减少，多径能量将进一步削弱，因此RMS时延扩展将继续下降甚至为0，即可能只观测到主径，这对于减少码间干扰，增大信道带宽非常有利。在9 m之前，多径数目大多在5～7径，与收发距离没有明显的相关性，说明在短距离内接收天线角度对于多径数目的约束不明显，RMS时延扩展增加的主要原因应该是主径的剧烈衰落。
图7 多径数目随收发天线的变化
Fig.7 Number of multipath as a function of Tx-Rx distance
RMS时延扩展的累积概率分布(CDF，Cumulative Distribution Function)情况如图8所示，对于50%,90%的测量点，RMS时延扩展分布小于等于3.3，5.9 ns。为找到最优拟合分布，分别用Rician分布、Rayleigh分布、Lognormal分布对RMS时延扩展的累积概率分布进行拟合，并采用Kolmogorov-Smirnov检验查看各种拟合的优度，得到的p参数分别为0.44，0.24，0.68。p>0.05即可认为接受原假设，p值越大说明分布越接近。可见用Lognormal分布描述RMS时延扩展更加合适，这与地下巷道[11]、室内[17]的测量结果相似。
图8 RMS时延扩展的累积概率分布
Fig.8 CDF of RMS delay spread
根据式(6)估算90%相干带宽，绘制其累积概率分布如图9所示，可见对于50%,90%的情况，90%相干带宽分布小于等于5.7，12.4 MHz，可以传输数据、语音和视频。
图9 90%相干带宽累积概率分布
Fig.9 CDF of 90% coherence bandwidth
4 井筒通信系统试验
信道测量结果表明:在井筒中使用定向天线点对点通信的情况下，路径损耗小于自由空间和地下巷道;RMS时延扩展均值很小;整体信道条件良好。
IEEE802.11n协议在室内和巷道无线局域网(WLAN)得到了广泛的应用，性能优异，所测信道在关键参数上优于大多数地下巷道，因此在井筒中也有望适用。为此，设计了一套2.4 GHz WLAN网络监控与对讲系统。系统结构如图10所示，采用定向天线点对点桥接模式，发射天线安装在罐笼顶部外侧，接收天线安装在焊接在井架的悬臂梁上，离井口约12 m，两者截面位置相对。收发信机使用802.11n无线桥接器，罐笼内的IP网络摄像头通过以太网连接无线桥接器，视频信号调制后经无线传输后进入接收天线和井口监控室的无线桥接器，解调后进入电脑或硬盘录像机(NVR)，实现监控画面的显示和存储。
图10 罐笼视频监控系统
Fig.10 Video surveillance system for cages
系统安装照片如图11(a)～(c)所示，运行过程中在-445 m深度时的监控画面如图11(d)所示。系统性能测试表明:对于95%以上的区域，接收信号强度大于-70 dBm,信噪比大于30 dB,ping包时延小于10 ms，丢包率小于1%，平均速率约14 Mbps。系统自2016年4月在该井筒罐笼安装试验，运行1 a多来效果良好。
图11 罐笼视频监控系统照片
Fig.11 Photos of cage video surveillance system
5 结 论
(1)路径损耗系数小于自由空间，表现出明显的波导效应，有利于实现长距离覆盖。
(2)RMS时延扩展服从对数正态分布，随罐笼深度先增加后减小，有利于减小码间干扰，增大传输带宽。
(3)90%相干带宽在绝大多数情况下小于等于12 MHz，满足数据、语音、视频传输需求。
(4)整体信道条件良好，2.4 GHz为良好的频段选择，定向天线点对点通信形式适合罐笼通信。
(5)基于WLAN的罐笼视频监控系统在现场运行良好，说明现有的通信系统在井筒环境中有较好的适用性，可以大大增加井筒通信系统的丰富性并降低开发成本。
这些研究和试验为井筒通信与监测系统的设计提供了重要的依据和参考。
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