（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）礦井mimo通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni n c i r c u i t sa n ds y s t e m s r e s e a r c ho ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nm i n em i m o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m c a n d i d a t e ： m e n gx i a n m e n g s u p e r v i s o r ： y a os h a n h u a e l e c t r i c a la n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gs c h o o l a n h u iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，p r c h i n a 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及 取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方以外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 塞徵堡王太堂或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并 表示謝意。 學位論文作者簽名：鑫超日期：蘭蘭年月魚日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解塞徵堡三太堂有保留、使用學位論文 的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬于 童邀堡三太堂。學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的 復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)安徽理工大學 可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。( 保密的學位 論文在解密后適用本授權(quán)書) 學位論文作者簽名：盔磊猛 簽字日期：知，年6 月9 日 導師簽名：簽字日期：l 埠6 月o o - 日 摘要 一一 摘要 礦井巷道是受限的非自由空間，信號在這受限的空間內(nèi)傳輸會發(fā)生反射、散 射等現(xiàn)象，形成多徑衰落效應。本文對復雜的礦井無線通信環(huán)境進行了分析，研 究了信號在礦井巷道中的傳播特性及影響因素。目前影響礦井無線通信的主要問 題是多徑衰落效應，而現(xiàn)有的煤礦井下無線通信系統(tǒng)都沒臺e , 4 h 好的解決，所以本 文提出采用多輸入多輸出( m i m o ) 技術(shù)來對抗信號的多徑衰落效應。 m i m o 技術(shù)是指在發(fā)送端和接收端均采用多天線單元，利用無線信道的多徑 傳播，提高系統(tǒng)可利用的自由度，構(gòu)建空間多個并行信道，在不增加帶寬的情況 下，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和信號質(zhì)量。同時m i m o 的空時編碼技術(shù)將信道編碼技 術(shù)和陣列處理技術(shù)相結(jié)合，在不同的天線所發(fā)送的信號中引入時間和空間相關(guān)性， 從而在接收端可以通過空時信號處理獲得分集增益和編碼增益。 論文首先分析了礦井無線通信的傳輸環(huán)境，討論了m i m o 信道的傳播特性和 容量，建立了礦井m i m o 的信道模型，并對空間相關(guān)性進行了分析，然后對m i m o 的空時編碼技術(shù)和m i m o 信道估計算法進行了分析研究，最后設(shè)計了礦井m i m o 的通信系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的性能進行了分析。通過對系統(tǒng)的分析，可以知道m(xù) i m o 系統(tǒng)充分利用了信號的多徑傳播，另外系統(tǒng)還可以獲得分集增益和編碼增益，所 以m i m o 技術(shù)可以有效對抗礦井巷道的多徑衰落，提高通信系統(tǒng)的可靠性。 圖3 9 表0 參5 9 關(guān)鍵詞：礦井無線通信；多輸入多輸出：多徑效應；空時編碼；m i m o 信道估計； m a t l a b ； 分類號：t n 9 2 9 4 摘要 a b s t r a c t m i n el a n e w a yi sl i m i t e dn o n f r e es p a c e ，a n d s i g n a l i nt h el i m i t e d s p a c e t r a n s m i s s i o nw i l ll e a dt or e f l e c t i o n ，s c a t t e r i n gp h e n o m e n o n ，a n df o r mt h em u l t i - p a t h f a d i n g i n f l u e n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e c o m p l e x w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n ti sa n a l y z e di nc o a lm i n eu n d e r g r o u n d ，a n ds i g n a li nt h em i n el a n e w a y p r o p a g a t i o na n di n f l u e n c i n gf a c t o r sa r es t u d i e d a tp r e s e n t ，t h em a i np r o b l e mo fm i n e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sm u l t i - p a t hf a d i n gi n f l u e n c e ，a n dt h ee x i s t i n gu n d e r g r o u n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o u l dn o tb eas o l u t i o nf o rt h ep r o b l e m t os o l v et h e p r o b l e m ，t h em u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sp r o p o s e di nt h e d i s s e r t a t i o n m i m o t e c h n o l o g yi sm u l t i a n t e n n au n i ta tt h es e n d e re n da n d t h er e c e i v e r , u s i n ga r a d i oc h a n n e lt h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，w h i c hi m p r o v et h es y s t e ma v a i l a b l ef r e e d o m ， c o n s t r u c tm o r ep a r a l l e lc h a n n e li nt h es p a c e ，a n di m p r o v et h ed a t at r a n s f e rr a t ea n d s i g n a lq u a l i t yw i t h o u ti n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t h a tt h es a m et i m e ，t h es p a c e t i m e c o d e st e c h n o l o g yo ft h em i m os y s t e mc o m b i n ec h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g ya n da r r a y p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ，w h i c hi n t r o d u c e st h e t i m ea n ds p a c ec o r r e l a t i o no ft h e s e n d i n gs i g n a li nd i f f e r e n ta n t e n n a t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m c a na l s og e tm es u b 。s e t g a i na n dc o d i n gg a i nt h r o u g hs p a c e - t i m es i g n a lp r o c e s s i n g i nt h er e c e i v e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee n v i r o n m e n to ft h e m i n ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t r a n s m i s s i o ni sa n a l y z e df i r s t l y ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc a p a c i t yo ft h e m i m o 吐衄n e la r ed i s c u s s e d ，t h ec h a n n e lm o d e l so fm i m os y s t e mi s s e tu p ，a n d s p a t i a lc o r r e l a t i o ni sa n a l y z e d t h e ns e v e r a ls p a c e t i m ec o d i n gt e c h n i q u e so fm i m o c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dc h a n n e le s t i m a t i o no fm i m os y s t e mi s d i s c u s s e d a tl a s t m i n em i m ob a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi s s t u d i e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m i m os y s t e mm a k e sf u l lu s eo ft h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ， b e s i d e s ，t h es y s t e mc a na l s og e td i v e r s i t yg a i na n de n c o d i n gg a i n ，s o m i m o t e c h n o l o g yc a nb ee f f e c t i v ea g a i n s tt h em i n er o a d w a ym u l t i 。p a t hf a d i n ga n di m p r o v e t h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 一i i 摘要 f i g u r e3 9 t a b l e0r e f e r e n c e5 9 k e y w o r d s ：m i n ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m i m o ，m u l t i - p a t he f f e c t ，s p a c e - t i m ec o d e s ， m i m oc h a n n e le s t i m a t i o n ，m a t l a b c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t n 9 2 9 4 目錄 目錄 摘要i a b s t r a c t i i l 緒論1 1 1課題的研究背景與意義1 1 2m i m o 技術(shù)的特點及研究現(xiàn)狀1 1 3 本文主要的研究內(nèi)容和章節(jié)安排2 2 礦井無線通信技術(shù)5 2 1 礦井無線通信的特點一5 2 1 1 礦井無線通信環(huán)境的分析5 2 1 2 礦井巷道電磁波的傳播特性7 2 1 3 煤礦井下通信設(shè)備的要求7 2 2 現(xiàn)有礦井無線通信系統(tǒng)的分析8 2 3 礦井抗多徑衰落分析一9 2 4 本章小結(jié)1 0 3m i m o 信道傳播特性及容量分析1 l 3 1m i m o 系統(tǒng)模型l1 3 2m i m o 信道傳播特性1 2 3 2 1 大尺度衰落13 3 2 2 中尺度衰落1 3 3 2 3 小尺度衰落13 3 2 4 信道擴展1 4 3 3 礦井m i m o 信道模型1 7 3 3 1 礦井m i m o 信道的g b d b 模型1 8 3 3 2 空間相關(guān)函數(shù)分析1 9 3 3 3 空間相關(guān)性仿真分析2 0 3 4m i m o 信道的容量2 2 3 5 本章小結(jié)2 5 4m i m 0 空時編碼技術(shù)2 7 i v 目錄 4 i m i m o 空時編碼技術(shù)及設(shè)計準則2 7 4 1 1 空時編碼技術(shù)2 7 4 1 2 空時編碼設(shè)計準則2 8 4 2 分層空時碼2 9 4 2 1 分層空時編碼模型2 9 4 2 2 分層空時編碼方案3 0 4 2 3 分層空時譯碼方法3 2 4 3 空時格型編碼3 3 4 3 1 空時格型編碼系統(tǒng)模型3 3 4 3 2 空時格碼的編碼3 4 4 3 3 空時格碼的譯碼3 5 4 4 空時分組編碼3 5 4 4 1 空時分組碼的編碼3 5 4 4 2 空時分組碼的譯碼一3 6 4 5 本章小結(jié)3 8 5m i m o 系統(tǒng)的信道估計3 9 5 1 平坦衰落m i m o 的信道估計3 9 5 1 1 最大似然( m l ) 估計算法4 0 5 1 2 最小二乘( l s ) 估計算法4 0 5 1 3 最小均方誤差( m m s e ) 估計算法4 1 5 1 4 平坦衰落下信道估計算法性能比較。4 1 5 2 頻率選擇性衰落m i m o 的信道估計4 4 5 2 1 最大似然估計算法4 4 5 2 2 最小二乘估計算法4 5 5 2 3 最小均方誤差估計算法4 5 5 2 4 頻率選擇衰落下信道估計算法性能比較4 6 5 - 3 導頻序列的設(shè)計4 8 5 4 本章小結(jié)一一4 9 6 礦井m i m o 系統(tǒng)的設(shè)計及性能分析51 目錄 6 1 m i m o 通信系統(tǒng)的設(shè)計5 1 6 1 1c r c 校驗5 2 6 1 2r s 編碼與解碼5 2 6 1 3m p s k 調(diào)制與解調(diào)一5 3 6 1 4m i m o 空時編碼5 4 6 2 信道5 5 6 2 1a w g n 信道5 5 6 2 2 瑞利多徑衰減信道5 5 6 3 信道估計5 7 6 4 系統(tǒng)性能仿真5 7 6 4 1 系統(tǒng)性能仿真指標5 7 6 4 2 系統(tǒng)仿真流程5 8 6 4 3 仿真參數(shù)設(shè)置5 9 6 5 仿真結(jié)果分析5 9 6 6 本章小結(jié)6 2 7 總結(jié)6 3 7 1 結(jié)論6 3 7 2 展望6 3 參考文獻6 5 致謝6 8 作者簡介及讀研期間主要科研成果6 9 一v i 目錄 一一 c o n t e n t s a b s t r a c t i 1i n t r o d u d i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fm i m ot e c h n o l o g y 1 1 3t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc h a p t e r sa r r a n g e d 2 2m i n ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 5 2 1t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i n ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 5 2 1 1m i n ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n a l y s i s 5 2 1 2e l e c t r o m a g n e t i cw a v e sp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm i n e 7 2 1 3c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tr e q u i r e m e n t sf o rc o a lm i n e 7 2 2e x i s t i n gm i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n a l y s i s 8 2 3a n a l y s i so fa n t i m u l t i p a t hf a d i n gi nm i n ec o m m u n i c a t i o n s 9 2 4t h ec h a p t e rs u m m a r y 10 3m i m oc h a n n e lp r o p a g a t i o np r o p e r t i e sa n dc a p a c i t ya n a l y s i s 11 3 1m i m os y s t e mm o d e l 11 3 2m i m oc h a n n e lp r o p a g a t i o np r o p e r t i e 1 2 3 2 1l a r g e s c a l ed e c l i n e 1 3 3 2 2m e s o s c a l ed e c l i n e 13 3 2 3s m a l ls c a l ed e c l i n e 1 3 3 2 4c h a n n e le x p a n s i o n 1 4 3 3m i n em i m oc h a n n e lm o d e l 17 3 3 1g b d bm o d e lo f m i n em i m oc h a n n e l 18 3 3 2t h es p a t i a lc o r r e l a t i o nf u n c t i o na n a l y s i s 1 9 3 3 3t h es p a t i a lc o r r e l a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i s 2 0 3 4t h ec a p a c i t yo f m i m oc h a n n e l 2 2 3 5t h ec h a p t e rs u m m a r y 2 5 4t h es p a c e t i m ec o d i n gt e c h n o l o g yo fm i m o s y s t e m 2 7 4 1m i m os p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n o l o g ya n dd e s i g nc r i t e r i a 2 7 一v i i 目錄 4 1 1t h es p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n o l o g y 2 7 4 1 2d e s i g nc r i t e r i ao f t h es p a c e - t i m ec o d i n gt e c h n o l o g y 2 8 4 2l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g 2 9 4 2 1l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n gm o d e l j 2 9 4 2 2l a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n gs c h e m e 3 0 4 2 3l a y e r e ds p a c e - t i m ed e c o d i n gs c h e m e 3 2 4 3s p a c e - t i m et r e l l i sc o d i n g 3 3 4 3 1t h es y s t e mm o d e lo f s p a c e - t i m et r e l l i sc o d i n g 3 3 4 3 2s p a c e - t i m et r e l l i sc o d ec o d i n g 3 4 4 3 3s p a c e - t i m et r e l l i sc o d ed e c o d i n g 3 5 4 4s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g 3 5 4 4 1 s p a c e t i m eb l o c kc o d ec o d i n g 3 5 4 4 2s p a c e t i m eb l o c kc o d ed e c o d i n g 3 6 4 5t h ec h a p t e rs u m m a r y 3 8 5t h ec h a n n e le s t i m a t i o no f m i m os y s t e m 3 9 5 。1t h ef l a td e c l i n eo f m i m oc h a n n e le s t i m a t i o n 3 9 5 1 1m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o na l g o r i t h m 4 0 5 1 2l e a s ts q u a r e se s t i m a t i o na l g o r i t h m 4 0 5 1 3m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o re s t i m a t i o na l g o r i t h m 4 1 5 1 4t h ef l a td e c l i n ep e r f o r m a n c eo f e s t i m a t i o na l g o r i t h m 4 1 5 2f r e q u e n c ys e l e c t i v ed e c l i n eo f m i m oc h a n n e le s t i m a t i o n 一：4 4 5 2 1m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o na l g o r i t h m 4 4 5 2 2l e a s ts q u a r e se s t i m a t i o na l g o r i t h m 4 5 5 2 3m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o re s t i m a t i o na l g o r i t h m 4 5 5 2 4f r e q e n c ys e l e c t i v ed e c l i n ep e r f o r m a n c eo f e s t i m a t i o na l g o r i t h m 4 6 5 3t h ed e s i g no f t h ef r e q u e n c ys e q u e n c e s 4 8 5 4t h ec h a p t e rs u m m a r y 4 9 6t h ed e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f m i n em i m o b a s e b a n ds y s t e m 5 1 6 1t h ed e s i g no f m i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 5 1 二、，i i i - 目錄 6 1 1c r c c h e c k i n g 5 2 6 1 2r se n c o d i n ga n dd e c o d i n g 5 2 6 1 3q p s km o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n 5 3 6 1 4m i m o s p a c e - t i m ec o d i n g 5 4 6 2c h a n n e l 5 5 6 2 1a w g nc h a n n e l 5 5 6 2 2r a y l e i g hm u l t i p a t hc h a n n e 5 5 6 3t h ec h a n n e le s t i m a t i o n 5 7 6 4s y s t e mp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n 5 7 6 4 1s y s t e mp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni n d e x 5 7 6 4 2s i m u l a t i o np r o c e s s 5 8 6 4 3s i m u l a t i o np a r a m e t e r ss e t t i n g 。5 9 6 5t h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s 5 9 6 6t h e c h a p t e rs u m m a r y 6 2 7c o n c l u s i o n 6 3 7 1c o n c l u s i o n 6 3 7 2p r o s p e c t 6 3 r e f e ：r e n c e 6 5 t h a n k s 6 8 r e s l l i t i eo fa u t h o r 6 9 一i x - 1 緒論 1緒論 1 1 課題的研究背景與意義 隨著全球經(jīng)濟的快速增長，能源的需求不斷增長，煤炭作為能源結(jié)構(gòu)的主題， 具有非常重要的地位。由于煤礦井下特殊的工作環(huán)境，使煤礦的生產(chǎn)具有極高的 危險性，就需要一個監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦安全生產(chǎn)進行實時監(jiān)測，因此礦井通信系統(tǒng) 的有效性和可靠性是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。由于煤礦井下開采規(guī)模的不斷擴 大和生產(chǎn)現(xiàn)代化程度的不斷提高，對通信系統(tǒng)要求也在不斷的提高，要求通信信 息能夠準確、快速的傳遞。為了達到這一要求，越來越多的通信新技術(shù)被應用在 煤礦井下的通信系統(tǒng)中。 我國的煤炭開采主要以井下為主，然而由于煤礦井下巷道數(shù)目眾多、礦井作 業(yè)地點分散，工作環(huán)境惡劣、人員流動性大，極易發(fā)生安全事故【lj 。為了使煤礦 能夠安全生產(chǎn)，需要建立一個功能比較完全的全礦井無線信息系統(tǒng)，這一系統(tǒng)能 夠完成移動通信調(diào)度、機車的無線定位和導航、人員定位與追蹤、礦井環(huán)境無線 安全監(jiān)測等任務(wù) 2 1 。與礦井有線通信相比，礦井無線通信具有成本低廉、設(shè)備維 護上容易實現(xiàn)等優(yōu)點，但在實際的礦井無線通信系統(tǒng)中存在著嚴重的問題，受到 多徑衰落的影響。多徑衰落會破壞信號的傳輸特性，產(chǎn)生碼問干擾，使無線通信 系統(tǒng)的質(zhì)量下降，降低了通信系統(tǒng)的可靠性【3 。5 j 。 現(xiàn)有的礦井無線通信系統(tǒng)都沒能很好的解決信號的多徑衰落效應，針對這一 問題，本文提出了m i m o 技術(shù)在煤礦井下的應用，研究了礦井m i m o 通信系統(tǒng) 的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了礦井m i m o 通信系統(tǒng)，并分析了該通信系統(tǒng)的性能。m i m o 技術(shù)在多徑衰落條件下可以有效提高數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量，并且系統(tǒng)可以獲得分 集增益和編碼增益。通過對系統(tǒng)的分析研究，得出m i m o 技術(shù)可以有效的抗多徑 衰落，提高礦井無線通信系統(tǒng)的質(zhì)量。 1 2m i m o 技術(shù)的特點及研究現(xiàn)狀 m i m o ( 多輸入多輸出一m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技術(shù)是指在系統(tǒng)的發(fā) 射端和接收端均采用多天線單元，利用無線信道的多徑傳播，開發(fā)空間資源，產(chǎn) 生有效的空問多并行傳輸信道，使發(fā)射的信號具有空間相關(guān)性，在接收端采用空 時信號處理技術(shù)，可以顯著的提高數(shù)據(jù)傳輸速率和通信質(zhì)量，是現(xiàn)代無線通信領(lǐng) 域的重大突破 6 , 7 1 。 安徽理：= i = = 大學碩士論文 無線通信的系統(tǒng)一般會受到碼間干擾、信號衰落和同頻道的干擾的影響【8 1 。 碼問干擾和信號衰落主要是由信號的多徑傳播引起的，同頻道的干擾一般是由共 道用戶或未知干擾源產(chǎn)生的。對抗信道衰落可以通過分集技術(shù)來處理，碼間干擾 可以采用均衡技術(shù)來消除，共信道的干擾可以采用自適應波束形成或者多用戶檢 測技術(shù)來消除，但是它們都會造成系統(tǒng)復雜度的增加。而m i m o 技術(shù)則不同，采 用陣列天線技術(shù)，利用信號的空間相關(guān)性，具有以下特點1 9 1 ： ( 1 ) 利用或減輕多徑衰落：m i m o 技術(shù)能夠充分利用多徑的各種發(fā)射和合成 技術(shù)，提高無線通信系統(tǒng)的性能。 ( 2 ) 消除共道干擾：m i m o 系統(tǒng)能夠采用自適應波束形成或者多用戶檢測技 術(shù)來對共道干擾進行有效抑制和消除。 ( 3 ) 減小發(fā)射功率，提高頻譜利用率：因為天線陣列技術(shù)可以減小共道干擾和 多徑衰落的影響。 從2 0 世紀9 0 年代開始，國內(nèi)外的許多學者對m i m o 技術(shù)就開始大量的研究。 近年來，對m i m o 技術(shù)的研究主要包括以下幾個方面1 1 0 - 1 5 】： ( 1 ) m i m o 信道模型的建立和信道容量的分析； ( 2 ) 多用戶m i m o 系統(tǒng)的研究； ( 3 ) m i m o 空時編碼技術(shù)和預編碼技術(shù)的研究； ( 4 ) m i m o 系統(tǒng)信道估計、均衡技術(shù)的研究； ( 5 ) m i m o 天線選擇技術(shù)的研究。 對于m i m o 技術(shù)在陸地通信的研究越來越成熟，而對m i m o 技術(shù)在礦井中 的研究還處于初級階段，主要是因為煤礦井下通信環(huán)境非常復雜。礦井復雜的環(huán) 境影響無線通信技術(shù)在煤礦井下的應用，并且一直是礦井無線通信研究的難點。 1 3 本文主要的研究內(nèi)容和章節(jié)安排 本文的重點是對礦井m i m o 通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，分析m i m o 無 線信道傳播特性與信道容量，分析了m i m o 空時編解碼方法，討論m i m o 的信 道估計方法，最后設(shè)計了礦井m i m o 頻帶通信系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的性能進行仿真和 分析。 本文章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第一章，介紹了論文研究的背景及意義，簡明闡述了m i m o 技術(shù)的特點及研 究現(xiàn)狀。 第二章，分析了礦井無線通信的環(huán)境及存在的主要問題，并對礦井巷道的電 一2 1 緒論 磁波傳播特性進行了分析，分析現(xiàn)有的礦井無線通信系統(tǒng)，最后分析了礦井抗多 徑衰落，提出m i m o 技術(shù)的可行性。 第三章，分析了m i m o 信道的傳播環(huán)境，建立了礦井的m i m o 信道g b d b 信道模型，并討論了信道的空間相關(guān)性，最后分析了瑞利衰落下m i m o 的信道容 且 里0 第四章，簡單分析了空時編碼技術(shù)的設(shè)計準則，然后介紹了幾種空時編碼技 術(shù)的編碼和譯碼方法。 第五章，分析信道估計的作用，介紹了信道估計的種類，首先討論了平坦衰 落情況下m i m o 信道估計的算法，在此基礎(chǔ)上，推廣到頻率選擇性衰落信道，并 對它們的信道估計算法進行了仿真分析，最后對導頻序列的設(shè)計進行了研究。 第六章，結(jié)合礦井無線通信的實際環(huán)境，設(shè)計了礦井m i m o 通信系統(tǒng)，選用 合適的空時分組編碼方法，在多徑信道下，對采用不同的調(diào)制的礦井m i m o 通信 系統(tǒng)的性能進行分析。 第七章，對本文所做工作進行歸納和總結(jié)，并對以后的工作進行展望。 安徽理工大學碩士論文 一4 一 2 礦井無線通信技術(shù) 2 礦井無線通信技術(shù) 無線通信是在自由空間中通過電磁波進行信息交換的一種通信方式。近 年來，無線通信技術(shù)得到迅速的發(fā)展，像超寬帶技術(shù)( u w b ) 、正交頻分復用 技術(shù)( o f d m ) 、多天線技術(shù)( m i m o ) 等，在陸地通信中都得到廣泛的應用，很 好的解決了無線通信的傳輸速率低、頻譜資源有限等難題 1 6 - 1 8 】。此外，無線 通信系統(tǒng)設(shè)備維修和維護也非常的方便簡單。礦井無線通信環(huán)境比陸地無線通 信環(huán)境復雜了很多，煤礦井下電磁波的傳播受到多種因素的影響，如受限的非 自由傳播空間、隧道截面幾何尺寸、巷道的走向、巷道壁表面粗糙、煤巖層材料 電磁參數(shù)、液壓金屬支柱、大功率機電設(shè)備、動力電纜與鐵軌、流動的運輸機車 以及巷道內(nèi)分布的各種易燃氣體等【1 9 】。復雜的無線通信環(huán)境導致電磁波傳播也異 常復雜，然而礦并無線通信對煤礦井下的安全生產(chǎn)和突發(fā)事故的搶險救災有著非 常重要的作用。因此，礦井無線通信是一個值得研究的課題。 2 1 礦井無線通信的特點 2 1 i 礦井無線通信環(huán)境的分析 煤礦井下的工作環(huán)境非常特殊，無論是巷道，還是采掘的工作面，空間 都非常狹窄，呈現(xiàn)隧道形狀，使得無線電波的傳播空間是非自由的，巷道內(nèi)有 各種物體和機電設(shè)備，巷道表面粗糙，并且巷道傾斜、有拐彎和分支，這些構(gòu)成 礦井無線通信環(huán)境的復雜性和特殊性，如圖l 所示。無線信號在礦井巷道內(nèi)傳輸， 不僅會被吸收，而且還會被多次反射、折射和散射，產(chǎn)生嚴重的多徑衰落效應。 安徽理工大學碩士論文 圖1 礦井巷遭 f i g 1m i n el a n e w