Measurement of UWB signal path loss and center frequency selection in underground coal mines
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摘要: 煤矿井下分别部署UWB，5G，WiFi6等系统，存在基站多、传输线缆多、供电设备多、系统成本高、维护工作量大等问题。将UWB，5G，WiFi6等集成在同一个一体化基站或分站内，可有效解决上述问题，但一体化基站的UWB，5G，WiFi6天线之间距离近，相互干扰大。选择不同的工作频段，是解决一体化基站的UWB，5G，WiFi6天线之间相互干扰大的有效方法。为与地面设备兼容，矿用WiFi6和5G工作频段选择范围较小，UWB工作频段选择范围较大。目前矿井人员和车辆定位系统主要采用UWB主流芯片DW1000，其中心频率为3.5，4.0，4.5，6.5 GHz。中心频率为3.5 GHz的UWB与3.5 GHz的5G工作频段相近，不宜选用。中心频率为4.0，4.5，6.5 GHz的3个频段的UWB，均与5G和WiFi6频段不相近，可选择其中衰减较小的频段作为矿用UWB中心频率。煤矿井下测试结果表明，4.0 GHz信号的路径损耗最小，在其他条件相同的情况下，传输距离最远，既解决了UWB与5G和WiFi6相互干扰的问题，又减少了基站数量和系统成本，便于使用与维护。因此，UWB中心频率应优选4.0 GHz。Abstract: The deployment of UWB, 5G and WiFi6 systems underground in coal mines has problems such as multiple base stations, multiple transmission cables, multiple power supply equipment, high system costs, and heavy maintenance workload. Integrating UWB, 5G and WiFi6 antennas into the same integrated base station or sub station can effectively solve the above problems. However, the distance between UWB, 5G and WiFi6 antennas in the integrated base station is close, resulting in high mutual interference. Choosing different operating frequency bands is an effective method to solve the high mutual interference between UWB, 5G and WiFi6 antennas in integrated base stations. To be compatible with ground equipment, the selection range of mining WiFi6 and 5G operating frequency bands is relatively small, while the selection range of UWB operating frequency bands is relatively large. At present, the positioning system for mine personnel and vehicles mainly uses the UWB mainstream chip DW1000, with a center frequency of 3.5, 4.0, 4.5 and 6.5 GHz. The UWB with a center frequency of 3.5 GHz is similar to the 5G operating frequency band of 3.5 GHz. It is not suitable for selection. The three frequency bands of UWB with center frequencies of 4.0, 4.5 and 6.5 GHz are not similar to the 5G and WiFi 6 frequency bands. The frequency band with smaller attenuation can be selected as the center frequency of the mining UWB. The underground testing results of coal mines show that the path loss of the 4.0 GHz signal is the smallest, and the transmission distance is the farthest under the same other conditions. This not only solves the problem of interference between UWB, 5G and WiFi6, but also reduces the number of base stations and system costs. It is easy to use and maintain. Therefore, the UWB center frequency should preferably be 4.0 GHz.
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Keywords:
- wireless transmission in mines /
- wireless transmission attenuation /
- working frequency band /
- path loss /
- center frequency /
- UWB /
- 5G /
- WiFi6
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0. 引言
基于UWB，5G，WiFi6的矿井人员和车辆精确定位、矿井无线通信和矿用移动通信技术是煤矿智能化关键技术，在煤矿安全高效生产和应急救援中发挥着重要作用[1-3]。UWB技术具有厘米级高精度定位、抗多径能力强、系统复杂性低等优点。UWB技术不使用传统通信体制中的载波，通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，带宽大[4-6]。矿用UWB主要用于矿井人员和车辆精确定位。5G具有传输速率高、时延低和可靠性高等优点[7]。矿用5G可用于矿井移动通信、视频、音频和数据无线传输等，特别适用于要求大带宽、低时延、高可靠传输的采掘工作面地面远程控制、车辆无人驾驶等[8-10]。WiFi6即第六代无线网络技术，是WiFi联盟创建于IEEE 802.11系列标准下的无线局域网技术[11]。相比于上一代标准IEEE 802.11ac的WiFi5，WiFi6最大传输速率由前者的3.5 Gibit/s，提升到了9.6 Gibit/s，理论传输速率提升了近3倍，具有系统简单、成本低等优点[12]。矿用WiFi6主要用于煤矿井下视频、音频和数据无线传输。
为满足煤矿井下人员和车辆定位、无线视频、移动通信、无线监控和采掘工作面地面远程控制等需求，UWB，5G，WiFi6均在煤矿井下获得了广泛应用[13-15]。煤矿井下分别部署UWB，5G，WiFi6等系统，存在基站多、传输线缆多、供电设备多、系统成本高、维护工作量大等问题。将UWB，5G，WiFi6等集成在同一个一体化基站或分站（以下统称基站）内，可有效解决上述问题，但一体化基站的UWB，5G，WiFi6天线之间距离近，相互干扰大[16-18]。
选择不同的工作频段，是解决一体化基站的UWB，5G，WiFi6天线之间相互干扰大的有效方法。目前我国UWB工作频段为3.1～10.6 GHz。5G工作频段主要有700 MHz，900 MHz，2.5 GHz，3.5 GHz，4.8 GHz等。WiFi6工作在2.4 GHz和5 GHz频段。为与地面设备兼容，矿用WiFi6和5G工作频段选择范围较小，UWB工作频段选择范围较大（中心频率为400 MHz，3.5 GHz，4.0 GHz，4.5 GHz，6.5 GHz，7.0 GHz，7.5 GHz，8.0 GHz，8.5 GHz，9.0 GHz，9.5 GHz，10.0 GHz的多个频段）。目前矿井人员和车辆定位系统主要采用UWB主流芯片DW1000，其中心频率为3.5，4.0，4.5，6.5 GHz。中心频率为3.5 GHz的UWB与3.5 GHz的5G工作频段相近，不宜选用。中心频率为4.0，4.5，6.5 GHz的3个频段的UWB，均与5G和WiFi6频段不相近，可选择其中衰减较小的频段作为矿用UWB中心频率[19-21]。然而，目前未见有煤矿井下相关测试。本文在国能神东煤炭集团大柳塔煤矿副一大巷、副二大巷和辅运大巷进行测试，受实验设备最高频率为6 GHz的限制，对4.0，4.5，5.5，6.0 GHz 4个频段的路径损耗分别进行测试分析，提出了矿用UWB中心频率。
1. 测试环境
1.1 副一大巷
副一大巷如图1所示。巷道横截面近似为矩形、顶部略呈拱形，巷道内基本无杂物，管道架设在巷帮之上；横截面水平平均宽度为4.55 m，垂直高度为3.9 m；巷道壁和地面为混凝土涂覆层，表面基本不见煤层。
1.2 副二大巷
副二大巷如图2所示。巷道横截面为半弧形拱顶，巷道地面敷设有轨机车轨道，管道架设在巷道顶部；横截面水平平均宽度为4.7 m，中心附近垂直高度为4.1 m，距侧壁水平距离1/4处垂直方向平均高度为3.3 m；巷道壁和地面为混凝土涂覆层，表面基本不见煤层。
1.3 辅运大巷
辅运大巷如图3所示。巷道横截面为矩形，部分空间有金属架等金属物体存在，巷道内管道较多，在巷帮和顶部均有架设；横截面水平平均宽度为5.6 m，垂直高度为4 m；巷道壁和地面为混凝土涂覆层，表面基本不见煤层。
2. 测试方法
测试设备主要包括SMB100A信号发生器、N9918A手持式频谱仪、WB002天线+电缆、H−D100激光测距仪、天线支架等。测试设备布置如图4所示。将发射天线T固定在三脚架上，三脚架位于巷道径向水平方向中心位置，发射天线中心距地面高度Ht固定为2 m。发射天线通过4 m电缆与信号发生器连接，信号发生器在不同频段为天线提供25 dBm的发射功率。将接收天线R设置在距发射天线距离为D处，然后移动接收天线，使接收天线距发射天线距离D依次取1，3，5，7.5，10，12.5，15，20，25，30，60，90，120，150，180，210，240，270，300 m。接收天线通过6 m电缆和频谱仪连接，频谱仪读取的数据作为测试结果进行保存。
在不同距离D的每个横截面上，接收天线中心分别位于A，B，C，F，E共5个空间点位上，如图5所示。在E，B（A，C），F空间点位的接收天线中心距地面高度分别为H1，H2，H3，在E，B，F空间点位的接收天线距巷道壁两侧水平距离分别为L1，L2。在每个空间点位上分别对不同频段的接收功率进行测试，并保存测试数据。
每一个横截面上的5个空间点位均测试完毕后，增加收发天线之间的距离D，重复上述测试步骤，直至不同收发天线距离的横截面均测试完毕为止。副一大巷、副二大巷、辅运大巷横截面空间点位距离参数见表1。
表 1 巷道横截面空间点位距离参数Table 1. Spatial point distance parameter of roadway cross sectionm 巷道 L1 L2 H1 H2 H3 副一大巷 2.2 2.2 1 2 3 副二大巷 2.4 2.4 1 2 3 辅运大巷 2.8 2.8 1 2 3 3. 测试结果及分析
在每种测试场景下，记录各空间点位的接收信号功率。由于发射天线和信号发生器之间有4 m长电缆、接收天线和频谱仪之间有6 m长电缆，所以在计算空间点位上实际接收功率时，需要在频谱仪读取的数据基础上，补偿总长10 m电缆的损耗。10 m电缆在各个频段上的实测损耗见表2。
表 2 10 m电缆损耗实测结果Table 2. Measured loss results of 10 m cable中心频率/GHz 4.0 4.5 5.5 6.0 损耗/dB 9.0 9.6 10.8 11.4 3.1 全路径损耗及分析
中心频率为4.0，4.5，5.5，6.0 GHz信号在副一大巷、副二大巷、辅运大巷各空间点位路径损耗测试结果分别如图6−图9所示。
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图 6 4.0 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗Figure 6. Path loss at each spatial points of 4.0 GHz signal in different roadways![]()
图 7 4.5 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗Figure 7. Path loss at each spatial points of 4.5 GHz signal in different roadways![]()
图 8 5.5 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗Figure 8. Path loss at each spatial points of 5.5 GHz signal in different roadways![]()
图 9 6.0 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗Figure 9. Path loss at each spatial points of 6.0 GHz signal in different roadways由图6−图9可知：在副一大巷、副二大巷、辅运大巷3条巷道内，不同路径的信号传播情况总体趋势较为一致；在相同距离的截面上，不同路径传播信号的接收功率存在一定差别；各频段的路径损耗情况也不相同，随着信号中心频率增加，路径损耗有逐渐增大的趋势。
3.2 平均路径损耗及分析
将各截面5个空间点位的接收信号功率求取平均值，得到副一大巷、副二大巷和辅运大巷平均路径损耗，如图10所示。可看出信号频率越高，路径损耗越大。其中，中心频率为4.0，4.5，5.5 GHz的信号随频率增大，路径损耗增加明显；而中心频率为5.5，6.0 GHz的信号随频率增大，路径损耗增加不明显，这在副一大巷的测试结果中尤为明显。4.0 GHz信号的路径损耗最小，在其他条件相同的情况下，传输距离最远，既解决了UWB与5G和WiFi6相互干扰的问题，又减少了基站数量和系统成本，便于使用与维护。因此，UWB中心频率应优选4.0 GHz。
4. 结语
目前矿井人员和车辆定位系统主要采用UWB主流芯片DW1000，其中心频率为3.5，4.0，4.5，6.5 GHz。中心频率为3.5 GHz的UWB与3.5 GHz的5G工作频段相近，不宜选用。中心频率为4.0，4.5，6.5 GHz的3个频段的UWB，均与5G和WiFi6频段不相近，可选择其中衰减较小的频段作为矿用UWB中心频率。煤矿井下测试结果表明，4.0 GHz信号的路径损耗最小，在其他条件相同的情况下，传输距离最远，既解决了UWB与5G和WiFi6相互干扰的问题，又减少了基站数量和系统成本，便于使用与维护。因此，UWB中心频率应优选4.0 GHz。
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图 6 4.0 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗
Figure 6. Path loss at each spatial points of 4.0 GHz signal in different roadways
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图 7 4.5 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗
Figure 7. Path loss at each spatial points of 4.5 GHz signal in different roadways
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图 8 5.5 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗
Figure 8. Path loss at each spatial points of 5.5 GHz signal in different roadways
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图 9 6.0 GHz信号在不同巷道各空间点位路径损耗
Figure 9. Path loss at each spatial points of 6.0 GHz signal in different roadways
表 1 巷道横截面空间点位距离参数
Table 1 Spatial point distance parameter of roadway cross section
m 巷道 L1 L2 H1 H2 H3 副一大巷 2.2 2.2 1 2 3 副二大巷 2.4 2.4 1 2 3 辅运大巷 2.8 2.8 1 2 3 
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表 2 10 m电缆损耗实测结果
Table 2 Measured loss results of 10 m cable
中心频率/GHz 4.0 4.5 5.5 6.0 损耗/dB 9.0 9.6 10.8 11.4
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