無線通信定位一體化進(jìn)展及其在煤礦井下應(yīng)用分析

胡延軍，趙英柱，楊一雪，翟雨雙，李世銀

（1. 中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 地下空間智能控制教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116）

0 引言

綠色、安全、高效生產(chǎn)是煤炭產(chǎn)業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展的重要保證[1-3]。為了保障煤礦安全生產(chǎn)水平，煤礦企業(yè)建設(shè)了多種用于事故預(yù)防、災(zāi)害治理及預(yù)警的智能化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)；同時(shí)為了提升安全生產(chǎn)效率，建設(shè)了多種可實(shí)現(xiàn)減人或無人的自動化、智能化系統(tǒng)及裝置。其中，無線通信與實(shí)時(shí)精確定位技術(shù)是建設(shè)智能化煤礦的重要支撐。國家和相關(guān)管理部門先后出臺了一系列政策、通知及規(guī)范[4-6]，對煤礦井下無線通信與礦井實(shí)時(shí)精確定位技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)行引導(dǎo)、鼓勵(lì)及規(guī)范。

為了實(shí)現(xiàn)井下礦工位置及行為管理，從井下機(jī)器人定位和導(dǎo)航等角度出發(fā)，已有礦井部署了礦井實(shí)時(shí)精確定位系統(tǒng)，并取得了較好效果。這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能在硬件上利用了礦井已建設(shè)的以太環(huán)網(wǎng)設(shè)備，但硬件獨(dú)立性仍然較強(qiáng)，具體表現(xiàn)在定位基站的硬件設(shè)備獨(dú)立、定位所用電磁波頻譜獨(dú)立。這就意味著，即使在井下已部署通信系統(tǒng)的情況下，部署礦井實(shí)時(shí)精確定位系統(tǒng)仍需較大的硬件投入，這也導(dǎo)致井下設(shè)備維護(hù)工作量和系統(tǒng)復(fù)雜度增加。

事實(shí)上，煤礦經(jīng)過自動化、信息化及當(dāng)前智能化建設(shè)，特別是隨著5G技術(shù)在井下推廣，煤礦已經(jīng)建立了基本覆蓋全礦井用以語音通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信網(wǎng)絡(luò)，部分場所建設(shè)了無線節(jié)點(diǎn)眾多的傳感器網(wǎng)絡(luò)。可預(yù)期，為了滿足將來替代礦工的遙控/自主機(jī)器人控制及通信需求，井下將存在節(jié)點(diǎn)眾多的泛在無線通信網(wǎng)絡(luò)。若能利用泛在無線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備和電磁波頻譜實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確定位功能，可在為智能礦山建設(shè)提供技術(shù)支撐的前提下，減少礦井硬件投入和維護(hù)工作量。利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位功能正是無線通信定位一體化（Integrated Localization and Wireless Communication，ILWC）研究的范疇，也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。本文對ILWC技術(shù)研究進(jìn)展及趨勢進(jìn)行闡述，并對ILWC技術(shù)在煤礦井下的適用性及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。

1 無線通信技術(shù)及定位技術(shù)研究進(jìn)展

從時(shí)間維度考察，無線通信技術(shù)和定位技術(shù)最初是2種獨(dú)立發(fā)展的技術(shù)，近幾年才交叉融合發(fā)展。無線通信技術(shù)和定位技術(shù)的研究成果是當(dāng)前ILWC技術(shù)研究的基礎(chǔ)。因此，本節(jié)對無線通信技術(shù)及定位技術(shù)的研究進(jìn)展，特別是ILWC所使用的相關(guān)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行簡述。

需要說明的是，定位技術(shù)是一個(gè)范疇很大、成果非常豐富的技術(shù)，本節(jié)僅對定位中抽象數(shù)學(xué)模型的求解（ILWC中可能使用的技術(shù)）進(jìn)展進(jìn)行介紹，并未全面完整地對定位技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1.1 無線通信技術(shù)

無線通信技術(shù)研究主要受業(yè)務(wù)需求和市場需求這2大因素推動，相應(yīng)的無線通信技術(shù)有2條發(fā)展主線：① 高帶寬，低時(shí)延，自組網(wǎng)。② 小體積，低功耗，低成本。

具體而言，無線通信所使用的電磁波頻段從中波中頻、短波高頻、厘米波超頻發(fā)展到極高頻毫米波、太赫茲，為提升無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。天線陣、智能天線、智能波束成形、波束賦形、正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等技術(shù)的發(fā)展，使得時(shí)間、空間、頻譜等通信資源多角度多層面復(fù)用成為可能，進(jìn)而提升了通信帶寬的利用率。通信組網(wǎng)方式從最初有基礎(chǔ)架構(gòu)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，如全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）等，發(fā)展到目前具有自組網(wǎng)功能的5G網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的無線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也從基于只支持基站之間有線互聯(lián)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到基于支持基站之間無線自組網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，如使用IEEE 802.15.4 的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、支持IEEE 802.11n及后續(xù)協(xié)議的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)等。以無線終端通信設(shè)備為例，從無線電臺到“大哥大”，再到智能手機(jī)，已實(shí)現(xiàn)從高成本、高功耗、大體積到低成本、低功耗、小體積的轉(zhuǎn)變。圖1以移動通信技術(shù)的發(fā)展為代表，展示了無線通信不同階段的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向。

圖1 移動通信技術(shù)發(fā)展Fig. 1 Development of mobile communication technologies

無線通信技術(shù)和無線通信網(wǎng)絡(luò)所承載業(yè)務(wù)的發(fā)展相互交織、相互促進(jìn)。無線通信網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)從單純的語音/數(shù)據(jù)信號傳輸，發(fā)展到語音和數(shù)據(jù)混合傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以多媒體數(shù)據(jù)傳輸為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)、設(shè)備感知、自動駕駛等業(yè)務(wù)應(yīng)用。不同無線通信技術(shù)的傳輸速率和能量損耗如圖2所示。

圖2 無線通信技術(shù)傳輸速率及能量損耗Fig. 2 Transmit speed and energy consumption of wireless communication technologies

無線通信技術(shù)的高帶寬、低時(shí)延研究為無線通信系統(tǒng)承載多業(yè)務(wù)提供了基礎(chǔ)，無線通信系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)拓展的需求引導(dǎo)無線通信技術(shù)的發(fā)展。因此，從無線通信技術(shù)發(fā)展來看，ILWC技術(shù)是無線通信系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)拓展的必然結(jié)果。

1.2 無線定位技術(shù)

無線定位過程可分為2步：① 獲取無線通信系統(tǒng)所使用的某種物理量，并將其轉(zhuǎn)換為時(shí)間、角度、信號強(qiáng)度等定位信息。② 建立數(shù)學(xué)模型，利用某種算法進(jìn)行定位求解。顯然，無線定位的第1步與無線通信系統(tǒng)耦合，可視為ILWC發(fā)展中的初始階段，因此，部分研究進(jìn)展將在第3節(jié)闡述。本節(jié)僅對基于數(shù)學(xué)模型的定位計(jì)算方法研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

在假設(shè)已經(jīng)存在被定位目標(biāo)和參考節(jié)點(diǎn)之間信息的條件下，定位計(jì)算方法可分為模式匹配法和數(shù)值計(jì)算法兩大類，后者包括基于距離信息、基于角度信息及基于上述2種信息融合的方法。常用的定位計(jì)算方法如圖3所示，其描述了不同定位信息選用的定位計(jì)算方式，以及幾何求解模型與概率求解模型之間的關(guān)系。部分定位算法的精度發(fā)展如圖4所示。

圖3 常用的定位計(jì)算方法Fig. 3 Frequently-used localization calculation methods

圖4 部分室內(nèi)定位算法的精度發(fā)展Fig. 4 Precision development of some indoor localization algorithms

模式匹配法又稱指紋法，通常是在離線階段根據(jù)定位場景的細(xì)節(jié)特征建立指紋庫，在定位階段只需將實(shí)時(shí)定位場景信息與指紋庫匹配，即可估算出目標(biāo)位置。常用作指紋信息的有接收信號強(qiáng)度值（Received Signal Strength Indication，RSSI）、到達(dá)角（Angle of Arrival，AOA）等。

數(shù)值計(jì)算法是將定位問題構(gòu)建成方程組，求解非線性方程組在評價(jià)指標(biāo)最小化時(shí)的解。具體求解算法可分為2類：① 直接求解或利用逼進(jìn)方法求解非線性方程組，如利用泰勒級數(shù)展開法和最大似然法[7-13]。該類算法中都有一個(gè)迭代算法，嚴(yán)重依賴初始值的選擇，且算法復(fù)雜度較高。② 將非線性方程組轉(zhuǎn)換為線性方程組，從而降低算法復(fù)雜度，避免初始值選擇問題，如子空間法[14-16]和最小二乘法[17-19]。

2 ILWC概念及內(nèi)涵

ILWC可認(rèn)為是2018年提出的通信感知一體化（Integrated Sensing and Communication, ISAC）[20]技術(shù)的具體化和特例化。其作為一種新技術(shù)，目前僅在物理形態(tài)上形成了共識，即ILWC是在1個(gè)硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)通信和定位功能的技術(shù)。具體如何定義ILWC仍在討論中。文獻(xiàn)[21]從通信功能和定位功能設(shè)計(jì)一體化角度，將ILWC定義為通過信號波形、編碼方式、調(diào)制方式和頻譜資源分配等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)定位與通信的無縫集成的技術(shù)。文獻(xiàn)[22]從通信功能和定位功能利用相同軟硬件的角度，將ILWC定義為利用共享易部署的無線通信軟硬件資源（基礎(chǔ)設(shè)施、時(shí)間-頻率-空間等），在硬件架構(gòu)和算法層面上高度整合，從而實(shí)現(xiàn)通信和定位功能的技術(shù)。文獻(xiàn)[23]從通信功能和定位功能的軟硬件資源共享及協(xié)同角度，將ILWC定義為一種基于軟硬件資源及信息共享實(shí)現(xiàn)定位與通信功能協(xié)同的新型信息處理技術(shù)。

目前研究基本認(rèn)同的是ILWC核心思想為“硬件集成，軟件共享”。因此，任何在同一軟硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)通信和定位功能的技術(shù)，都可歸屬到ILWC技術(shù)范疇。

3 ILWC研究進(jìn)展

本文將ILWC技術(shù)發(fā)展劃分為設(shè)備復(fù)用和深度融合2個(gè)階段。設(shè)備復(fù)用階段是指在不改變原有無線通信系統(tǒng)軟硬件情況下拓展實(shí)現(xiàn)定位功能的階段，可認(rèn)為定位功能是無線通信系統(tǒng)拓展功能，定位功能只能從無線通信系統(tǒng)中單向獲取信息。深度融合階段是指在設(shè)備復(fù)用前提下，軟硬件在設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段綜合考慮通信和定位需求的階段，通過頻譜資源復(fù)用及波形設(shè)計(jì)、信號處理等手段實(shí)現(xiàn)通信和定位功能融合，即定位和通信協(xié)同工作。

需要特別說明的是，本文僅討論狹義范疇上的ILWC技術(shù)，即以射頻電路共用和計(jì)算芯片復(fù)用為基礎(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信及定位功能的技術(shù)。對于現(xiàn)有研究和工程實(shí)踐中利用超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）和WiFi芯片構(gòu)建一個(gè)具備通信及定位功能的基站（通信定位一體化基站）情況，本文不做討論。

3.1 設(shè)備復(fù)用階段

設(shè)備復(fù)用階段利用無線通信系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)定位，即在已經(jīng)部署無線通信系統(tǒng)的條件下，不需要額外的硬件投入即可實(shí)現(xiàn)定位功能，并未進(jìn)行通信功能和定位功能在波形、信號處理及頻譜能量利用等層面協(xié)同工作的設(shè)計(jì)。

設(shè)備復(fù)用階段的特點(diǎn)是定位功能僅利用無線通信系統(tǒng)某個(gè)（些）物理量獲取所需的距離、角度、相位等定位信息，通常包括到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）、到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）、AOA、RSSI等。不同的無線通信系統(tǒng)能提供的定位信息不同，如：從WiFi網(wǎng)絡(luò)的無線接入點(diǎn)（Access Point，AP）中可獲取RSSI、AOA、TOF、信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）等；從UWB網(wǎng)絡(luò)的基站中可獲取發(fā)射端到接收端的信號傳輸時(shí)間；從Bluetooth，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可獲取移動設(shè)備的RSSI、AOA、飛行時(shí)間（Time of Fly，TOF）等信息。

基于不同定位信息的定位方法不同，其特點(diǎn)也不同?；赥OA或TDOA的定位方法利用信號在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的傳播時(shí)間或傳播時(shí)間差來計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的距離或距離差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位功能。與TOA相比，TDOA不需要時(shí)鐘同步?；贏OA的定位方法通過2個(gè)參考節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的夾角來確定未知節(jié)點(diǎn)位置。常用的AOA估計(jì)算法有多重信號分類（Multiple Signal Classification, MUSIC）[24]和利用旋轉(zhuǎn)不變信號參數(shù)估計(jì)技術(shù)（Estimation of Signal Parameters by Rotational Invariance Techniques, ESPRIT）[25]2種及其變形。隨著無線通信中多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)的快速發(fā)展，信號AOA精確估計(jì)成為可能，這也逐漸成為當(dāng)前ILWC研究熱點(diǎn)?；赗SSI的定位方法常用基于路徑損耗模型來估計(jì)參考節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離。由于RSSI為信號源多徑傳輸合成后的強(qiáng)度值，當(dāng)定位距離超過一定范圍時(shí)，基于RSSI的定位系統(tǒng)精度只能達(dá)到米級。文獻(xiàn)[26]突破了發(fā)送功率必須已知的限制，使得基于RSSI的定位方法基本可應(yīng)用于任何ILWC系統(tǒng)。

設(shè)備復(fù)用階段ILWC研究進(jìn)展見表1，其基本概括了目前基于不同網(wǎng)絡(luò)的定位應(yīng)用通信硬件設(shè)備獲取的定位信息、定位精度及定位對通信功能的影響。設(shè)備復(fù)用階段ILWC技術(shù)如圖5所示，目前研究的無線定位方法[27-42]基本上是無線網(wǎng)絡(luò)及定位計(jì)算方法的組合。

圖5 設(shè)備復(fù)用階段ILWC技術(shù)Fig. 5 ILWC technology in equipment reuse stage

表1 設(shè)備復(fù)用階段ILWC研究進(jìn)展Table 1 Research progress of ILWC in equipment reuse stage

3.2 深度融合階段

深度融合階段是在設(shè)備復(fù)用階段基礎(chǔ)上，對頻率、能量及計(jì)算資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，達(dá)到資源一體化與功能一體化，從而在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)通信及定位最優(yōu)。ILWC深度融合階段的研究剛起步，但已經(jīng)取得了一些研究成果。

對于通信感知共存性能極限問題，文獻(xiàn)[50]提出了雷達(dá)和通信聯(lián)合信號模型的假設(shè)并進(jìn)行了推導(dǎo)，定義了雷達(dá)速率評估的克拉美-羅下限（Cramer-Rao Lower Bound，CRLB）準(zhǔn)則，探索了在相同的頻率分配中雷達(dá)和通信共存性能界限。文獻(xiàn)[51]提出了基于廣義信道反饋的信道參數(shù)估計(jì)方法，探究了一體化性能的極限問題。

埃里斯塔是卡爾梅克自治共和國首府，距莫斯科1836公里。是一個(gè)以卡爾梅克人、俄羅斯人為主，多民族聚居的城市。游走于埃里斯塔街間，給我們感觸最深的是這是座多民族文化和諧相處的城市。

對于通信感知工作頻率分配問題，文獻(xiàn)[52]提出了一種動態(tài)頻譜分配方法，用于雷達(dá)系統(tǒng)與工作頻率范圍重疊的通信系統(tǒng)共存，并聯(lián)合波形和功率譜設(shè)計(jì)了一種組合互信息準(zhǔn)則，以優(yōu)化雷達(dá)和通信系統(tǒng)的性能。

對于通信與感知二者的功率、能量等資源分配問題，文獻(xiàn)[53]提出了一種解決ILWC協(xié)同波束成形和功率分配問題的方案，在無線資源有限的情況下，可提高通信數(shù)據(jù)速率和定位精度。文獻(xiàn)[54]為克服通信雷達(dá)性能受限于有限能量的問題，提出了無線供電的雷達(dá)通信集成系統(tǒng)，在保證通信與感知性能的前提下實(shí)現(xiàn)了能量最小化。

對于通信感知網(wǎng)絡(luò)框架構(gòu)建問題，文獻(xiàn)[55-56]初步構(gòu)建了一種感知移動網(wǎng)絡(luò)，與通信共享傳輸信號，并提出了主動感知、被動感知、上行感知3種網(wǎng)絡(luò)感知方法，并利用正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access， OFDMA ）和MIMO 技術(shù)從復(fù)雜的通信信號中估計(jì)傳感參數(shù)。

對于通信感知的波形設(shè)計(jì)、波束賦形與信號處理問題，文獻(xiàn)[57]提出了一種能夠同時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和雷達(dá)感知的智能波形設(shè)計(jì)方法，并討論了可能的信號處理算法。文獻(xiàn)[58-59]提出了一種混合波束成形技術(shù)，使得子陣列MIMO雷達(dá)具有感知通信功能。

對于位置輔助通信及通信輔助定位問題，文獻(xiàn)[60]提出了車輛間通信輔助定位方法，利用新興車輛自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將運(yùn)動信息和GPS位置估計(jì)相結(jié)合，用于計(jì)算相對車輛位置。文獻(xiàn)[61-64]研究了利用先驗(yàn)位置信息輔助毫米波可重構(gòu)智能超表面的信道參數(shù)估計(jì)方法，并通過合理選擇通信中繼基站，實(shí)現(xiàn)了通信效率提升。

從目前ILWC研究進(jìn)展來看，只是對各個(gè)子模塊進(jìn)行初步探索，研究不夠充分，尚未形成ILWC體系。未來可考慮構(gòu)建通信定位網(wǎng)絡(luò)時(shí)如何對信號波形、編碼方式、調(diào)制方式、頻譜資源分配等方面進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，通過高度整合來實(shí)現(xiàn)通信和定位功能。深度融合階段ILWC研究進(jìn)展見表2，其列舉了在感知通信共存性能極限問題、通信輔助定位、位置輔助通信等方面的現(xiàn)有文獻(xiàn)及主要研究內(nèi)容。

表2 深度融合階段ILWC研究進(jìn)展Table 2 Research progress of ILWC in deep fusion stage

4 煤礦井下ILWC技術(shù)

煤礦井下由于其場景的特殊性，設(shè)備須滿足強(qiáng)制認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，因此井下ILWC技術(shù)發(fā)展稍滯后于地面ILWC。具體體現(xiàn)在井下通信系統(tǒng)和定位系統(tǒng)仍是獨(dú)立建設(shè)，尚未進(jìn)入ILWC設(shè)備復(fù)用階段。

4.1 井下ILWC概念

通用ILWC概念可用于煤礦井下ILWC技術(shù)，特別是“硬件集成，軟件共享”思想。但煤礦井下ILWC有其特殊性，需對煤礦井下ILWC進(jìn)行定義。

煤礦井下ILWC的特殊性在于井下通信功能和定位功能的資源使用量和優(yōu)先級具有動態(tài)不均衡性。通信功能和定位功能資源使用優(yōu)先級隨井下場景需求的變化而變化，如：煤礦在日常安全生產(chǎn)過程中，定位功能所提供的空間信息對智能化精細(xì)化安全生產(chǎn)支撐作用大，ILWC系統(tǒng)一般存在持續(xù)穩(wěn)定的外部電量供給，因此允許定位功能的電量消耗高于通信功能；在災(zāi)后救援過程中，ILWC系統(tǒng)往往只能利用內(nèi)部蓄電池進(jìn)行電量供給，此時(shí)定位功能的電量消耗限制會遠(yuǎn)高于應(yīng)急通信功能。

基于上述考慮，將煤礦井下ILWC技術(shù)定義為基于時(shí)間、空間、頻譜、計(jì)算等資源共享，具有場景自動感知和資源動態(tài)自適應(yīng)分配機(jī)制的通信功能和定位功能融合技術(shù)。該定義與現(xiàn)有ILWC定義的最大區(qū)別在于強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)對當(dāng)前應(yīng)用場景的感知和資源分配動態(tài)適應(yīng)性調(diào)整。

4.2 井下ILWC技術(shù)適用性

由于ILWC通信功能和定位功能共享一套系統(tǒng)，所以將ILWC系統(tǒng)部署在井下具有節(jié)約總體投資、減少維護(hù)工作量的優(yōu)點(diǎn)。但煤礦井下不同場景所布置的無線通信網(wǎng)絡(luò)不同，使用的定位方法也不同，因此不同場景使用的ILWC技術(shù)也不同。煤礦井下不同場景ILWC技術(shù)適用性見表3。

表3 煤礦井下不同場景ILWC技術(shù)適用性Table 3 Applicability of ILWC technology in different scenes in underground coal mine

井下大巷及類似場所尺寸大、巖層穩(wěn)定，需要監(jiān)控的參數(shù)相對較少，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少。現(xiàn)有工程實(shí)踐特別是5G網(wǎng)絡(luò)在井下的推廣應(yīng)用已經(jīng)驗(yàn)證支持長距離通信的稀疏基站可滿足目前和未來通信需求。因此，井下大巷及類似場所應(yīng)采用依托以5G為代表的骨干無線通信網(wǎng)絡(luò)的ILWC技術(shù)。

井下中央變電所配置有礦用變電器、高壓電纜等電磁干擾大的設(shè)備，對無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力有很高的要求。UWB技術(shù)有非常嚴(yán)格的功率機(jī)制，其短持續(xù)時(shí)間脈沖能確保抵抗多徑效應(yīng)，并提供最高的時(shí)間分辨率[65-67]，且基于UWB的TOF，TDOA測距定位算法復(fù)雜度相對較低，定位精度可達(dá)厘米級。因此，中央變電所這類電磁干擾較大的場所應(yīng)采用以UWB為主要網(wǎng)絡(luò)的ILWC技術(shù)。

井底車場用于轉(zhuǎn)送人員、材料、設(shè)備，是連接井筒與大巷的樞紐，基于對人員及運(yùn)輸機(jī)車安全監(jiān)測的重要性，井底車場運(yùn)輸巷道錯(cuò)綜復(fù)雜、道路交叉點(diǎn)較多的特點(diǎn)，人員對通信和定位設(shè)備便攜性要求等方面的考慮，應(yīng)采用以 ZigBee網(wǎng)絡(luò)為代表的無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)的ILWC技術(shù)。ZigBee雖然在大多數(shù)移動設(shè)備上無法訪問，但ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、可自組網(wǎng)，在運(yùn)輸巷道交叉點(diǎn)布置ZigBee通信定位基站能夠滿足中短距離運(yùn)輸巷道通信需求。井底車場環(huán)境中信號強(qiáng)度衰減大，依據(jù)信號強(qiáng)弱來計(jì)算目標(biāo)位置往往只能實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位。采用TOA，TDOA定位方法可有效提高定位精度，基本滿足該區(qū)域?qū)Χㄎ坏男枨蟆?/p>

采煤工作面是礦工直接采煤場所，是煤礦安全事故的高發(fā)地點(diǎn)，具有巖層不穩(wěn)定、變化快、空間尺寸小、人員走動頻繁等特點(diǎn)，對通信和定位要求很高。結(jié)合采煤工作面場景需求，擬采用以5G，WiFi6為骨干網(wǎng)絡(luò)的ILWC技術(shù)。5G，WiFi6具有時(shí)延低、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，且大部分移動設(shè)備上配備有5G和WiFi模塊，與工作面對人員跟蹤定位、機(jī)器姿態(tài)識別等生產(chǎn)安全管理需求相契合。5G，WiFi6均采用MIMO技術(shù)，為精確估計(jì)AOA提供了基礎(chǔ)，使得基于AOA及基于AOA與TOA/TDOA融合的定位方法更適用于工作面。

4.3 煤礦井下應(yīng)用ILWC技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)

ILWC深度融合階段的研究還處于起步階段，現(xiàn)有研究大多基于地面環(huán)境，研究內(nèi)容及問題也是煤礦井下ILWC需要關(guān)注的。實(shí)際上，煤礦井下特殊環(huán)境使得定位與通信應(yīng)用有其特殊性，具體表現(xiàn)在煤礦井下無線信道復(fù)雜性、基站部署不均衡性和井下場景識別困難導(dǎo)致的問題。

4.3.1 煤礦井下無線信道復(fù)雜性

煤礦井下巷道的物理特點(diǎn)是尺寸受限，且在生產(chǎn)過程中存在人員、設(shè)備移動及開采作業(yè)導(dǎo)致的巖層運(yùn)動。因此，對于無線信號傳輸而言，煤礦井下巷道是一個(gè)狹長時(shí)變空間，即多徑效應(yīng)顯著的時(shí)變信道。

多徑效應(yīng)顯著導(dǎo)致ILWC中的通信功能和定位功能相矛盾。目前通信接收技術(shù)已經(jīng)能夠利用多徑效應(yīng)，進(jìn)而提高通信質(zhì)量[68-69]。但是多徑效應(yīng)越顯著，則定位算法的輸入信息（如距離、角度等）提取準(zhǔn)確性越低，即對定位功能越不利[27]。因此，對于煤礦井下ILWC來說，一個(gè)突出問題是如何提升多徑效應(yīng)環(huán)境下的定位性能。目前，已有部分研究成果[70-73]能有效解決噪聲和多徑效應(yīng)對定位的影響，但相應(yīng)算法或基于特殊的硬件條件，或計(jì)算復(fù)雜度較高，并不適用于煤礦井下復(fù)雜多變的環(huán)境。因此，亟需適用于煤礦井下解決多徑效應(yīng)和噪聲的高效算法，以實(shí)現(xiàn)井下實(shí)時(shí)精確定位。

此外，ILWC系統(tǒng)定位與通信功能共用接收機(jī)，為了提高定位精度，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法用于信道估計(jì)，必然使更多的時(shí)間花費(fèi)在信道估計(jì)上，導(dǎo)致通信延遲增大[21]。另外，井下環(huán)境干擾較大，對通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量要求高，而通信質(zhì)量與頻率密切相關(guān)，因此井下ILWC系統(tǒng)對頻率、功率、能量分配機(jī)制的設(shè)計(jì)要求相比于地面更為嚴(yán)苛。

4.3.2 無線基站部署的不均衡性

從ILWC技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，在經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性約束下，煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度必然是不均衡的，如：大巷因其地質(zhì)條件較好、尺寸較大，一般用于監(jiān)控的無線傳感器節(jié)點(diǎn)較少，布置的無線通信基站（即骨干節(jié)點(diǎn)）也較少；采煤工作面巖層不穩(wěn)定、變化快、空間尺寸小、人員走動頻繁，需要監(jiān)控的環(huán)境參數(shù)較多，通信需求也較多，因此需要布置的基站較多。

無線基站部署的不均衡性要求通信功能和定位功能資源使用率可根據(jù)場景動態(tài)調(diào)整。對于無線基站較密集的場景，定位功能所獲取的信息較多，算法相對簡單，因此所需的頻譜及計(jì)算資源較少，而通信功能需要協(xié)調(diào)各基站的信道占用及資源分配等問題，需要的計(jì)算資源較多。對于無線基站稀疏的場景，定位功能所獲取的信息較少，算法相對復(fù)雜，因此所需的頻譜及計(jì)算資源較多，而通信功能并不需要太多的計(jì)算資源去協(xié)調(diào)各基站的信道占用及資源分配等問題。

對于煤礦井下基站密集場景，其特殊性不顯著，這是因?yàn)榈孛嬗邢嗨茍鼍?，如學(xué)校、商務(wù)樓等建筑物內(nèi)存在大量WiFi基站。因此，基站密集場景下的ILWC技術(shù)必將獲得較多非煤礦研究人員的關(guān)注。煤礦井下基站密集場景下的ILWC也可參考地面的研究成果。

煤礦井下基站稀疏場景具有較強(qiáng)的獨(dú)特性。在這種場景下，通信功能的設(shè)計(jì)會較簡單，定位功能會較復(fù)雜，需解決定位信息不足的問題。該問題可能的解決方案是在設(shè)計(jì)ILWC算法時(shí)，借助多徑效應(yīng)，利用通信功能構(gòu)建虛擬通信分站，從而解決定位精度對節(jié)點(diǎn)數(shù)量的需求。

4.3.3 井下場景精確判別

煤礦井下ILWC的特點(diǎn)是通信功能和定位功能對資源需求有時(shí)變不均衡性，需有資源動態(tài)自適應(yīng)分配機(jī)制。該機(jī)制應(yīng)用的前提是對當(dāng)前場景，特別是日常生產(chǎn)和災(zāi)后應(yīng)急場景的精確判別，從而進(jìn)行更為精確的動態(tài)調(diào)度、傳輸方案選擇、算法參數(shù)配置等。因此，場景精確判別是發(fā)揮煤礦井下ILWC技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵。

目前已有一些場景判別方法，如分級分類法。文獻(xiàn)[74-75]采用多次判別分類獲得類別標(biāo)簽，先將圖像判別為室內(nèi)或室外或其他，假設(shè)為室外，再判別屬于城市或農(nóng)村或其他，這樣逐層判斷，最終得到結(jié)果，特點(diǎn)在于層與層之間提取不同類型的特征。還有以場景結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的判別方法，如場景匹配模型[76]、組合區(qū)域模型[77]、blobworld模型[78]、語義敏感整合匹配[79]等。上述方法均針對特定場景，目前還沒有建立煤礦井下正常生產(chǎn)與發(fā)生事故之后場景判別的相關(guān)模型，也沒有提出相關(guān)算法。

場景判別機(jī)制是煤礦井下ILWC對通信與定位資源優(yōu)先級分配的技術(shù)支撐。由于目前沒有現(xiàn)成的算法或模型能夠解決煤礦井下工作與非工作場景的判別問題，所以ILWC技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用時(shí)必須建立對應(yīng)模型，提出有效算法，解決正常工作場景與災(zāi)后場景的準(zhǔn)確判別問題。相比于地面簡單場景，井下復(fù)雜場景的精確判別會是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

（1） ILWC技術(shù)是無線通信系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)拓展的必然結(jié)果。將該技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下，將有助于推進(jìn)礦山智能化建設(shè)。

（2） 通過討論煤礦井下ILWC應(yīng)用及特有問題，認(rèn)為：① 井下通信與定位環(huán)境復(fù)雜，易受多徑效應(yīng)影響，如何解決復(fù)雜信道環(huán)境對ILWC的影響是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。② 井下基站稀疏場景導(dǎo)致定位信息匱乏，如何解決基站稀疏帶來的定位信息匱乏問題也是嚴(yán)峻考驗(yàn)。③ 井下復(fù)雜環(huán)境對ILWC技術(shù)環(huán)境感知和資源動態(tài)自適應(yīng)分配提出了較高要求。