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《中国矿业大学》 2009年
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矿井超宽带无线通信信道模型研究

王艳芬  
【摘要】: 本文首先探讨了超宽带(UWB)无线技术用于煤矿井下通信时,窄脉冲波形的确定、系统方案的选择及其应用的场合等问题,推导了信号发射功率、数据速率与传输距离之间的数学关系。针对典型的无载波2PAM UWB系统,仿真得到了不同条件下数据速率与距离的关系,以此对一阶和五阶高斯脉冲波形进行了特性分析,研究给出了适合矿井超宽带无线通信的脉冲波形。然后介绍了无线信道的传播机制基本概念以及井下巷道电波传播特性;分析了几种对矿井UWB信道的建立有借鉴作用的超宽带室内信道模型特点。在此基础上着重研究了矿井环境下的UWB路径损耗模型和多径衰落模型。 根据巷道波导的模式理论研究和分析了矿井巷道路径损耗混合模型特点,结合UWB矿井实测环境进行了仿真,指出了混合模型存在的问题。进一步研究了波导传输的多模式理论,确定了波模次数选取的原则,仿真和分析了矩形巷道的多波模传输衰减现象和特点。不同于波模理论方法,还研究了基于镜像理论的射线反射模型,结合超宽带信道的频率依赖特点,对模型进行了修正,建立了矿井UWB路径损耗预测的镜像法反射模型,并对实际矿井UWB测量环境进行了传播损耗预测,得到了较好的预测结果。 在研究多径衰落模型之前,首先在建立的矿井反射模型基础上,仿真和分析了矿井巷道UWB信号的传播特性,得到UWB脉冲波形宽度的变化会直接影响系统的时间分辨率。随后从脉冲信号的幅度谱和相位谱两个方面研究了脉冲波形失真情况。此外,比较细致地研究了矿井粗糙度对传播特性的影响。用生成的随机粗糙面函数模仿矿井的粗糙壁,采用阻抗级联法进行,即将巷道壁粗糙的影响模拟为具有损耗的阻抗的级联,从多个角度研究了粗糙度对传播特性的影响。 本文重点研究了矿井UWB多径衰落模型。分别研究了复合衰落信道、半确定统计模型、频域AR模型和频率依赖性信道模型。第一,首先结合实际的UWB井下测试环境,研究和搭建了基于Turin模型的Nakagami多径衰落模型,利用Matlab/Simulink工具进行了可视化仿真,并进行了模型的修正,综合考虑了阴影衰落、粗糙损耗等因素对模型的影响,建立了井下UWB信道复合衰落模型。第二,根据实际测试环境并结合IEEE 802.15.3a室内模型,构建了一种LOS双簇半确定统计模型,研究和分析了UWB信道的统计特性。第三,研究了频域AR建模方法,分别对超宽带室内和矿井环境进行了建模和仿真。特别是在没有信道测试信息的情况下,将射线反射模型与频域AR方法相结合,提出并构建了UWB矿井多径信道的预测型AR模型,通过仿真得到了验证。第四,分析了频率依赖性UWB信道模型的建立过程,提出采用矩阵束方法提取信道参数,结合实际的井下频率依赖性UWB信道,利用矩阵束算法进行了信道重现,结果与原信道很接近,表明了方法的可行性。在此基础上,建立了考虑频率依赖性的矿井UWB信道模型并进行了仿真分析。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN925

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【参考文献】
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