[发明专利]矿井MIMO无线通信信道建模方法、系统、介质及设备

说明书

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种矿井MIMO无线通信信道建模方法、系统、介质及设备，建立矿井的三维模型，包括信号的GBDB直射分量传播模型和信号的GBDB散射分量传播模型；推导直射和散射模式下的系统相关函数；对平均功率分配和自适应分配算法下井下MIMO通信系统容量计算方法进行分析。本发明通过对矿井内的无线通信信道进行建模仿真，测试人员可以获得矿井中无线电波的传播特性；根据无线电波的传播特性，设计人员可以优化矿井隧道内无线AP的数量以及布设密度，从而有效地降低了无线通信网络的造价以及维护成本，解决了在井下环境多径干扰和电磁干扰严重的情况下无线通信的技术问题。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种矿井MIMO无线通信信道建模方法、系统、介质及设备。

背景技术

目前，矿井巷道通常狭长而蜿蜒，与地面通信相比，井下大尺度衰落和小尺度衰落更为严重，其中，多径衰落尤其严重，已经成为电磁波下降的主要因素，并且还有各种大功率机电设备产生的电磁干扰，这也阻碍了地下通信质量的提高。

由于井下巷道电磁波干扰严重且发射机功率有限，单纯靠增加发射机功率来抵抗衰落是有限的。并且由于井下巷道里常常有很多会产生电磁干扰的电子设备，所以提高发射机的功率会需要很复杂的硬件设计。针对井下抗衰落技术，国内外提出多种分集技术。然而分集技术的实现困难，接收机设计复杂度高。

MIMO技术应用在上述描述的井下巷道上时，它不需要提高发射机的功率就可以提高通信系统的容量。于此同时，MIMO技术直接可以有效利用被其他传统通信技术看作是干扰的多径分量。所以在井下环境多径干扰和电磁干扰严重的情况下，MIMO技术可以起到有效抗多径衰落，成功提高信道容量，增长通信长度的作用。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)由于井下巷道电磁波干扰严重且发射机功率有限，故单纯靠增加发射机功率来抵抗衰落是有限的。由于大功率型号发射机相对应的存在体积过大的缺点，这导致大功率的发射机搬运极其不便，使得在我国地貌特征复杂的矿山坑道等环境中使用时受到了限制。

(2)由于井下巷道里常常有很多会产生电磁干扰的电子设备，所以提高发射机的功率会需要很复杂的硬件设计。为了实现在井下复杂的环境中测量数据的高准确性传输，大功率电磁发射机的设计通常采用永磁同步发电机进行供电，功率电路结构复杂，体积和重量都不太理想。

(3)针对井下抗衰落技术，分集技术的实现困难，接收机设计复杂度高。

解决以上问题及缺陷的难度为：在具有高压、高湿、强震动、空间狭小、电磁干扰多的井下环境中，通过提高发射机功率来抵抗衰落的现有方法会在便携性和稳定性方面带来非常大的劣势。

解决以上问题及缺陷的意义为：解决在井下环境多径干扰和电磁干扰严重的情况下无线通信的技术问题，在不提高发射机功率的前提下提高井下通信系统的覆盖范围以及通信质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种矿井MIMO无线通信信道建模方法、系统、介质及设备，旨在解决在井下环境多径干扰和电磁干扰严重的情况下无线通信的技术问题。

本发明是这样实现的，一种矿井MIMO无线通信信道建模方法，所述矿井MIMO无线通信信道建模方法包括：建立矿井的三维模型，包括信号的GBDB直射分量传播模型和信号的GBDB散射分量传播模型；推导直射和散射模式下的系统相关函数；对平均功率分配和自适应分配算法下井下MIMO通信系统容量计算方法进行分析。

进一步，所述矿井MIMO无线通信信道建模方法包括以下步骤：

步骤一，根据井下隧道的实际尺寸建立隧道系统的几何模型，将几何模型划分为若干个散射体，且散射体是自由分布的，利用发射机、接收机和散射体的位置获得传播路线，在发射机和接收机上配置均匀线性天线阵列；