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井下直巷道无线电波传播衰耗预测模型研究

作者：贺爱萍

来源：《硅谷》2011年第14期

摘要： 由于传播环境的特殊性和复杂性，电磁波在煤矿井下存在着各种形式的衰耗。通过在某矿现场实验研究，并对采样数据进行分析，建立井下直线巷道无线电波传播衰耗预测模型。

关键词： 井下通信；无线电波；衰耗；预测模型

中图分类号：TD65文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0720099－02 0 引言

井下巷道壁表面的岩石和煤层结构使电磁波传播造成了严重的衰减。同时，传播的主要环境是有限的、非自由的巷道空间，并且巷道的走向不都是直线，拐弯多，岔道多，又分布在不同的水平面，而且在巷道中堆放着各种各样的物体和井下机电设备，这些构成了井下电波传播环境的特殊性和复杂性。

电波传播衰耗预测模型[1]就是采用数学公式来描述无线信道，进而对各种环境中电波的传输特性进行研究的方法。传播衰耗预测模型一般分为经验模型、确定模型和半经验半确定模型。本文拟采用半经验半确定模型，先从确定模型入手，为了改善预测精度，使理论预测和实验测量一致，再从实验上对模型进行校正。 1 基础数据准备

为了建立井下巷道系统中电波传播预测模型，在某矿做了如下实验，以提供建模所需数据。在-600中间层底板大巷中取测点进行测试。巷道口放置频率为1900MHz的信号发生器，功率为10W（40dBm）。信号发生后由增益为3dB的小定向天线辐射至巷道内，在巷道内取点进行信号采样，采样值由天线增益为0的频谱分析仪获取。

2 理论模型建立

自由空间的传播是指接收机和发射机之间完全无阻挡的视距传播，是电波传播中最简单的情况。尽管在实际环境中很难找到理想的自由空间，但在研究移动通信环境电波传播问题时往往作为各种传播环境的比较标准。

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根据功率密度原理，无线电波在自由空间中传播，接收信号的强度与发射机和接收机间距离的平方成反比。如果路径衰耗定义为有效发射功率和接收功率的差值，自由空间路径衰耗 表示为：

式中 -自由空间衰耗（dB）；d-发射机和接收机之间的距离（前式为km，后式为m）；f-信号的频率（MHz）。

从公式（1）和（2）可以看出，频率越高，相对衰耗越大。PHS所采用频率为1.9GHz，如图1所示[2]，巷道内超高频段（UHF）的衰耗近似呈线性规律。

据此，煤矿井下电磁波的衰耗模型建立为式（3），即在自由空间衰耗基础上加上巷道系统中的附加衰耗构成。 又即：

式中-路径衰耗（dB）；-自由空间衰耗（dB）；-当地附加衰耗（dB）。 因此，波长1.9G的电磁波传输衰耗为：

可见，这个模糊因子就是导致煤矿井下电磁波衰耗模型有别于自由空间理想模型的的原因。而 又是和实际环境有着密切联系的，不能从理论分析上给出其数值，因此选用实际实验数据的统计规律来描述进而确定其数值。

对实测数据进行分析，并利用其统计情况求出式（5）中的当地附加损耗 ，从而建立井下无线电波传播预测模型。

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实验中，信号发射功率和接受功率之差就是路径衰耗，即

式中：-路径衰耗（dB）； -发射功率（dB）；-接受功率 （dB）。

信号发射功率为10W（40dBm）信号发生器功率和发射天线增益（3dB）

两部分组成，即43dBm。各测点接收功率列表记录，可以求得各测点处路径衰耗值，统计分布如图2所示。假设各测点位于自由空间中，各测点处的理论衰耗值由公式（2）可求得，统计分布如图3所示。

将各实测值和自由空间理论值进行对比分析，统计分布比较如图4所示。由公式（3）得，实测值 和理论值 做差即可求得当地附加损耗 即 （7）

式中：-当地附加衰耗（dB）；-实际路径衰耗（dB）；-自由空间理论衰耗（dB）。各测点附加衰耗计算统计分布如图5所示。

实际应用中，信号传播情况不同时间和不同地点均存在差异，因此当地的附加衰耗实际上是个范围。在建模过程中将其取最大值，即14.9dB，将结果代入公式（4），得到煤矿井下电磁波的衰耗模型为 （8）

PHS系统电磁波频率为1900MHz，故井下1.9G电波传播损耗模型为 （9）