洪 濤, 張富強(qiáng)

(山西工商學(xué)院 實驗實訓(xùn)中心, 山西 太原 030006)

0 引 言

近年來, 國內(nèi)煤礦建設(shè)與發(fā)展目標(biāo)是： 基于煤礦的數(shù)字化與信息化, 采取主動感知、 自動分析、 快速處理等手段, 開展煤礦生產(chǎn)、 職業(yè)健康與安全、 技術(shù)支持與后勤保障等工作, 最終令無人、 高效、 清潔、 安全的智慧煤礦得以實現(xiàn)[1]。作為提升全國煤礦智能化水平、 支撐煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主要核心, 煤礦智能化掘進(jìn)、 輔助運(yùn)輸以及成套連采技術(shù)設(shè)備的研究與成果轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)智慧煤礦[2]的關(guān)鍵部分。為滿足煤礦業(yè)與日俱增的通信需求, 打破傳統(tǒng)通信技術(shù)的帶寬、 連接數(shù)等限制, 5G技術(shù)[3]作為該領(lǐng)域的新型通信技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展, 并將高速率、 高可靠的通信鏈路提供給煤礦智能開采、 礦井網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。

為此, 筆者以成套智能連采系統(tǒng)為研究目標(biāo), 利用5G通信技術(shù), 探究復(fù)雜巷道條件下多種設(shè)備間的通信問題。利用終端到終端技術(shù), 強(qiáng)化各類設(shè)備間的直接通信速率, 減小集控中心負(fù)荷, 擴(kuò)大集控中心覆蓋范圍, 提高邊緣設(shè)備通信質(zhì)量； 通過分析多頻帶上能取得的傳輸容量, 抑制復(fù)用蜂窩上行頻譜時生成的干擾信號； 采用最優(yōu)功率算法, 得到成套連采系統(tǒng)的最優(yōu)性能增益, 提升系統(tǒng)綜合性能。

1 終端到終端下最優(yōu)功率算法智能成套連采系統(tǒng)

1.1 智能連采工作面

根據(jù)較為常用的連采工藝, 將連采機(jī)作為一個整體連采工作面的主要設(shè)備, 表1所示為連采工作面相關(guān)配套設(shè)備的數(shù)量與效用。

工作面以負(fù)荷中心為中心, 將動力通過電纜提供、 分配給其他設(shè)備, 諸如梭車、 連采機(jī)和錨桿機(jī)等, 主要電力驅(qū)動設(shè)備的活動范圍存在一定限制性, 通常情況下限定在負(fù)荷中心方圓100～150 m內(nèi)呈“井”字型交錯的巷道中； 而其他電力驅(qū)動設(shè)備活動范圍不受限。值得注意的是, 當(dāng)工作面發(fā)生移動時, 負(fù)荷中心也將隨之推進(jìn)。

1.2 智能連采系統(tǒng)

根據(jù)預(yù)設(shè)開采工藝[4], 連采工作面的多個設(shè)備展開有序的分工協(xié)作, 使工作面與采區(qū)煤炭的切割、 牽引、 運(yùn)輸、 支護(hù)以及一系列輔助性作業(yè)等任務(wù)逐步完成, 令煤炭生產(chǎn)更安全、 更高效、 可持續(xù)發(fā)展[5]。圖1給出了智能連采工作面設(shè)備間的作業(yè)相關(guān)性。

通信設(shè)備間采用終端到終端[6]的直接通信技術(shù), 結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架[7], 創(chuàng)建一種如圖2所示的應(yīng)用模型。

連采機(jī)作為唯一切割設(shè)備, 直接與發(fā)送工作指令的集控中心、 基站實現(xiàn)通信； 通過集控中心與基站的協(xié)調(diào)控制, 梭車與錨桿機(jī)直接通信, 兩者之間呈平行作業(yè)關(guān)系； 輔助設(shè)備及其上級設(shè)備間構(gòu)成一個子系統(tǒng), 令內(nèi)部設(shè)備實現(xiàn)直接通信。

1.3 終端到終端最優(yōu)功率算法

1.3.1單、 多頻帶傳輸容量計算

主網(wǎng)絡(luò)存在多條獨(dú)立頻帶, 在通信階段復(fù)用蜂窩上行頻譜[8], 將生成一定的干擾信號, 為使此類信號得到抑制, 需先深入分析多頻帶上能取得的傳輸容量。

(1)

(2)

若功率分配向量P′=(p1,p2,…,pN), 用戶密度值為λ0, 則基于蜂窩共享多頻帶的系統(tǒng)傳輸容量通過

(3)

解得。采用不等式

(4)

作為中斷概率的約束條件, 確保終端到終端的信號傳輸質(zhì)量。其中單頻帶鏈路的用戶中斷概率極大值為θ0, 工作頻段的用戶保護(hù)值為θ1。

獲取終端到終端最優(yōu)功率的目的是基于全部約束條件, 令信號傳輸容量達(dá)到最大, 因此, 將式(3)轉(zhuǎn)變成優(yōu)化問題, 構(gòu)建傳輸容量最大化模型

(5)

模型約束條件除式(4)外, 還需添加不等式

(6)

頻帶ι的發(fā)送功率上下限, 如下

(7)

(8)

為簡化運(yùn)算復(fù)雜度, 將不等式約束條件松弛[12]成等式條件, 得

wiλ0e-ζ0(λ0+(Pi/pi)2/αλi)=wiλ0e-ζ0(Pi/pi)2/αλi

(9)

因此, 總功率上限通過

(10)

取得。故當(dāng)總功率大于上限時, 總功率即為上界。

終端點(diǎn)將用戶密度分為N′個區(qū)間, 各子區(qū)間的總功率上限為臨界點(diǎn), 經(jīng)對比其與傳輸容量大小, 即可獲取子區(qū)間的局部最優(yōu), 通過進(jìn)一步比較取得容量最大值, 此時對應(yīng)的用戶密度與功率分配參量即為所需的最優(yōu)參數(shù)值。

1.3.2 最優(yōu)功率算法

經(jīng)分析連采機(jī)復(fù)用蜂窩上行頻譜資源時單頻帶成功傳輸概率與多頻帶傳輸容量, 采用最優(yōu)功率算法解決梭車接收端的上行干擾問題。

假設(shè)連采機(jī)與設(shè)備i的發(fā)射功率分別為pc、pi, 則梭車接收端接收信號為

(11)

其中服從均值為0、 方差為1的高斯隨機(jī)變量[13-14]用ν表示。

(12)

若信噪比與給定值之間呈小于關(guān)系[20], 則通信中斷概率

(13)

綜上, 設(shè)備i的最優(yōu)功率計算公式如下

(14)

2 實驗分析

2.1 實驗環(huán)境

根據(jù)最優(yōu)功率算法結(jié)果發(fā)現(xiàn), 智能連采工作面獲取最優(yōu)通信性能時, 設(shè)備數(shù)量在25～30臺之間, 且目標(biāo)信噪比小于8 dB。為提升系統(tǒng)通用性與可維護(hù)性, 縮短開發(fā)周期, 利用proteus仿真軟件[16]模塊化設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 比如輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)、 參數(shù)設(shè)置、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與信道處理、 調(diào)制與解調(diào)、 計算誤碼率等, 規(guī)范系統(tǒng)軟件開發(fā)流程。按照表2所示參數(shù), 完成智能成套連采系統(tǒng)設(shè)置。

表2 智能成套連采系統(tǒng)參數(shù)配置表

2.2 實驗效果分析

2.2.1 基于不同干擾的誤碼特性

高斯白噪聲[18]與多徑干擾[19-20]下的信號誤碼率曲線如圖3所示。多徑使接收信號互相重合, 造成碼間干擾, 所以, 多徑干擾通常會比高斯白噪聲對系統(tǒng)性能影響更大, 誤碼率更高。

從圖3中的曲線走勢可以看出, 設(shè)計系統(tǒng)在多徑干擾下的誤碼率明顯低于高斯白噪聲, 這是因為采用了蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下終端到終端的直接通信技術(shù), 經(jīng)終端到終端最優(yōu)功率算法成功獲取到設(shè)備最優(yōu)功率, 故有效抑制了多徑衰落對系統(tǒng)性能的影響。

圖3 不同干擾誤碼特性 圖4 不同子載波個數(shù)誤碼特性

2.2.2 不同子載波個數(shù)的誤碼特性

為進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能, 分別仿真8、16、32、64、128子載波個數(shù)下的誤碼率數(shù)值, 得到結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出, 誤碼率與子載波個數(shù)呈反函數(shù)關(guān)系, 但過多的子載波個數(shù)勢必會增加系統(tǒng)的計算復(fù)雜度, 減緩調(diào)制時數(shù)據(jù)的處理速度, 綜上分析, 將系統(tǒng)子載波個數(shù)設(shè)定為64較為合理。

2.2.3 不同多徑衰落幅度的誤碼特性

通過仿真得到的不同多徑衰落幅度下誤碼率曲線如圖5所示。

從圖5可以看出, 隨著信噪比的增加, 不同多徑衰落幅度的誤碼率呈現(xiàn)降低趨勢, 這是因為設(shè)計系統(tǒng)以負(fù)荷中心為圓心, 利用電纜將動力提供、 分配給其他設(shè)備, 根據(jù)預(yù)設(shè)開采工藝, 逐步完成切割、 牽引、 運(yùn)輸、 支護(hù)以及一系列輔助性作業(yè)等任務(wù), 利用終端到終端的直接通信技術(shù), 結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架, 實現(xiàn)了設(shè)備間通信, 降低了多徑衰落幅度對誤碼率的影響, 使信道多徑衰落干擾程度較大問題得到有效解決。

圖5 不同多徑衰落幅度誤碼特性 圖6 不同實現(xiàn)方式誤碼特性

2.2.4 不同實現(xiàn)方式的誤碼特性

經(jīng)對比系統(tǒng)在有保護(hù)間隔與無保護(hù)間隔下的誤碼率變化結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知, 由于保護(hù)間隔能去除多徑衰落引發(fā)的信道干擾, 所以, 存在保護(hù)間隔時, 系統(tǒng)誤碼率相對較小。但設(shè)計系統(tǒng)因分析單頻帶成功傳輸概率、 多頻帶傳輸容量及其最大容量, 獲取了頻帶發(fā)送的總功率上限, 采用最優(yōu)功率算法解決了梭車接收端的上行干擾問題。因此, 即使是在沒有保護(hù)間隔的情況下, 系統(tǒng)誤碼率依然能滿足實際的應(yīng)用需求。

3 結(jié) 語

5G通信技術(shù)憑借其優(yōu)異性能, 在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為探索除單一功能或單一設(shè)備外的智能化發(fā)展, 筆者面向基于連采工作面成套設(shè)備與開采工藝的成套系統(tǒng), 利用相對成熟的5G通信技術(shù), 解決了終端到終端技術(shù)與功率優(yōu)化算法等問題。

盡管取得了一定的研究成果, 但仍需從以下幾個方面加以完善： 應(yīng)嘗試結(jié)合新的算法與技術(shù), 改善系統(tǒng)容量, 提升系統(tǒng)性能與網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍, 強(qiáng)化系統(tǒng)魯棒性與可靠性； 筆者僅以假設(shè)性前提作為理論基礎(chǔ), 這需要在今后的工作中展開深入的分析與研究； 下一步應(yīng)以梭車為應(yīng)用對象, 創(chuàng)建視頻監(jiān)控系統(tǒng), 獲取良好的移動設(shè)備視頻監(jiān)控影像, 大力推動連采工作面信息化與自動化發(fā)展。隨著信息技術(shù)不斷升級, 設(shè)備日益升級換代, 所建系統(tǒng)不僅為連采系統(tǒng)的智能化、 數(shù)字化奠定了基礎(chǔ), 也將逐漸成為煤礦行業(yè)信息化發(fā)展的有力支撐。