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基于正交频分复用认知无线电在井下无线通信的研究
摘 要：针对煤矿井下通信环境的情况，提出了基于OFDM（正交频分复用）的认知无线电
通信技术在矿井下的应用的设想。提出了OFDM-CR技术在煤矿井下应用的研究方向, 为矿
井无线通信的研究提供一些新的途径。
关键词：矿井；通信；正交频分复用；认知无线电
1 井下无线移动通信的特点
煤矿井下具有特殊工作环境，无论煤矿井下巷道，还是采掘工作面空间都比较狭窄,基
本都呈隧道状,矿井巷道长也可达数千米甚至十几千米, 采煤工作面长度不定，宽、高受限，
而且，形状没有规则，所以无线电波的传播空间是非自由空间，因而无线电波在矿井下的传
播具有其特殊性，与无线电波的地面和空间传输有不同的特点【3】。另外，煤矿机械化、自
动化程度大幅度提高,生产设备及人员流动性大, 作业点分散，环境中又存在着大量的有爆炸
危险的一氧化碳、瓦斯及煤尘等空气混合体,因此,通过建立完善安全的煤矿井下无线和移动
通信系统，从而可以提高矿井现代化生产、安全和管理水平，提高生产效率和安全性。
在井下无线通信中,无线电波在井下巷道这样一个特定的非自由空间传播,电磁波在传播
过程中会频繁地发生反射和折射,经过反射和折射的电磁波又会发生新的发射和折射，产生
严重的多径衰耗。因此，多径衰耗的现象是电磁波在矿井巷道和工作面传播中的一个特殊问
题，接收机不仅接收到有用信号,同时也会接收到多个经过反射和折射形成的干扰信号,而这
些干扰信号本身与有用信号有着相干关系，这种相干特性严重地破坏了有用信号的传输相
位、频率和幅度特性，导致了电磁波在矿井巷道和工作面中仅能传播数百米,而井下的巷道
长度一般都要几千米甚至十几千米，因此达不到通信要求。另外，因为巷道和工作面顶底板
形状起伏,水平方向又会因为煤层和岩层的走向变化会形成各种不同的角度，导致了通信的
非可视性问题。非可视距的无线通信，也大大降低了巷道和工作面上无线信号的传输距离，
影响了通信传输的质量。
分析井下环境的特点，电磁波在井下传播的隧道效应: 空间受限、距离长和非可视是区
别于地面通信环境的最大不同，同时，由于一些空气混合体的存在，整机功耗又受到易燃易
爆环境的制约。
目前,我国煤矿井下移动通信的主要方式有动力线载波通信、感应通信、漏泄通信以及
中低频无线电,为了减少地质条件对无线通信信号的衰减,通常采用低频通信直至超低频通信
[4]。但是，这些通信方式都有一定的问题，因此我们有必要寻找更好的通信方式。
2 OFDM-CR的原理及优势
认知无线电（CR）的概念与特征
认知无线电（Cognitive radio）技术是几年来无线通信的新热点，由于通信行业的迅速
发展，频谱资源贫乏的问题日益严重，Joseph Mitola在软件无线电的基础上提出了认知无线
电的概念。软件无线电是以多频带多模式的个人通信平台而出现的，以软件无线电硬件为无
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线通信的基本平台，无线通信功能尽可能用软件实现【1】。这样设计的无线通信系统具有很
好的通用、灵活性，使通信系统升级和互联变得非常方便。以软件无线电位扩展平台的认知
无线电是一种新的智能无线通信技术，可以感知周围的环境特征，采用构建理解的方式进行
学习，与网络进行智能交流，实时调整参数，产生与输入无线电激励变化的相适应的无线规
则，从而，达到任何时间、任何地点，通信系统的高可靠性和频谱利用的高效性。
CR应该具备以下两个主要特征【5】：
1)认知能力
认知能力使CR能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间
和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空穴)，并选择最适当的频谱和工作参数。这一过程通
常采用认知环进行表示，包括3个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知
的主要功能是监测可用频段，检测频谱空穴；频谱分析评测频谱感知获取的频谱空穴的特性；
频谱判决根据分析获得的频谱空穴的特性和用户需求选择合适的频段、功率或调制方式传输
数据。“频谱空穴”可以理解为频谱内的干扰功率谱密度较小的区域【7】。
(2)重构能力
重构能力使得CR设备可以根据无线环境动态编程，从而允许CR设备采用不同的无线传
输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。重
构的核心思想是在不对频谱授权用户(LU)产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱
提供可靠的通信服务。同时，一旦该频段被LU使用，CR有2种解决方式：一是切换到其它
空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方式，从而避免对LU的有
害干扰。即根据反馈的信息,调整发端的工作参数,动态的进行频谱分配和发射功率控制,以达
到最佳的通信性能,提高频谱效率,增大用户容量【2】。
OFDM基本原理
OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplex正交频分复用）是一种子载波互相混
叠的多载波调制技术(MCM ,Multi – Carrier Modulation) ,其基本原理是将信道分成多个互正
交的窄的子信道，再在每个信道上采用传统的调制技术进行信息传输。除了有MCM的诸多
优点外,还具有很高的频谱利用率，适合在多径传播和多普勒频移的无线移动信道中传输高
速数据。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的【3】。
OFDM 是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输,从而使子载波上的符号速率
大幅度降低,符号持续时间大大加长,因而对时延扩展有较强的抵抗力,减小了由于多径传播
引起的码间干扰（Inter Symbol Interference, ISI）问题, 可以有效的对抗多径传播。通常在
OFDM 符号前加入保护间隔,只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号间干
扰。OFDM 相对于一般的多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠,只要满足子
载波间相互正交则可以从混叠的子载波上分离出数据信息,正是由于这个特性,其频谱利用效
率大大提高,是一种高效的通信调制方式。
同时，多载波就是把传输的带宽分成许多窄带子载波来并行传输，多载波可以在有限的
无线传播带宽中获得更高的传输速率。
原理图如图1、图2所示。
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图1 OFDM频谱图
Fig1 spectrum of OFDM
图2 OFDM基本模型
Fig2 Model of OFDM
OFDM技术具有频谱利用率高、系统稳定、非可视距和抗多径衰耗性能，在高速WLAN、
蜂窝通信系统网络和广播系统网络等已经得到了广泛的应用，也非常适合与煤矿井下的无线
和移动通信结合应用。
OFDM在认知无线电中的应用可行性
由于OFDM可以灵活的进行频率选择，实现对频谱的管理，因而是一种比较容易实现频
谱资源控制的方法，通过频率的组合和裁剪来实现频谱资源控制，将一些不规律和不连续的
频谱资源进行整合，按照一定的公平原则将频谱资源分配给不同的用户，实现资源的合理分
配和利用，灵活的控制和分配频谱、时间、功率、空间等资源。这也促使了OFDM技术在认
知无线电得到广泛的应用，可以实现认知无线电系统的自适应频谱资源分配和频谱检测两大
关键技术，成为认知无线电衬于底层的技术。
CR用户工作的频段可能存在多种不同类型频谱空洞，通过OFDM技术减少子载波可以
利用所覆盖频段范围内的多个频率上不连续的频谱空洞，将分散的频谱空洞拼接成一个连续
的频谱空洞，用于数据传输，提高频谱利用率。利用OFDM技术的特点，系统既能够使用频
域内连续的多个信道，即信道连续模式，也能够使用频域内不连续的多个信道，即信道聚合
模式。对多信道支持的特性可以采用信道分组与匹配机制，以减少一些相关控制信息的开销，
实现良好的与认知无线电结合的性能。
认知无线电的信道分配方案中，子信道组基于运行环境进行调整和分配，尽可能的使用
信道状况好的频谱空穴，实现更好的通信效果。由于OFDM技术支持选频方案，可以很好的
实现认知无线电的自适应频谱分配，OFDM技术将信道划分成多个窄的子信道，所以为认知
无线电的频谱检测提供了很好的实现基础，可以实现对良好信道的选择。基于OFDM技术的
认知无线电系统可以方便地查找到频谱空穴，使得发端了解各子信道的情况，同时结合用户
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的需求，在达到用户通信要求的前提上，更加合理地分配频谱资源。
同时，OFDM结合时空编码、分集、干扰和邻道干扰抑制以及智能天线等技术，可以最
大限度地提高物理层的可靠性，再结合自适应调制、自适应编码以及动态子载波分配和动态
比特分配算法等技术，它的结合使用使认知无线电性能进一步优化。
用Simulink仿真的基于OFDM技术的认知无线电系统系统图如图3,可以看出基于OFDM
技术的认知无线电的性能有明显改善。
基于OFDM的认知无线电原理图如图4【6】所示。
图3 基于OFDM的认知无线电系统性能仿真图
Fig3 Simulink of CR base on OFDM
图4 基于OFDM的认知无线电原理图
Fig4 principle of CR base on OFDM
3 结束语
认知无线电技术带来了一种全新的通信理念，基于OFDM技术的认知无线电实现了良好
的通信性能，将它用于煤矿无线通信是一种新的尝试。认知无线电具有频谱认知能力，在复
杂的煤矿井下环境中，可以通过频谱的选择的功能，选择最好的通信频率，自动调节通信功
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率和改变调制方式，实现最好通信的效果。同时，OFDM的通信性能可以解决多径衰落和非
可视现象，克服了井下通信障碍。通过自动调节通信功率，可以防止功率的大幅度变化，避
免混合气体等其他易燃、爆物品的影响。
目前对基于OFDM的认知无线电通信技术的研究还主要集中在地面和室内的一般传播
规律，对于OFDM-CR在矿井巷道这种特殊环境中的传播规律研究几乎是空白。因此，是一
个很有潜力的研究方向。
参考文献
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[7] 李波,刘勤,李维英.认知无线电技术[J].中兴通讯技术,2006,12(2):10-1
Research on OFDM-CR Wireless Communication
Technology for Coal Mine Underground
Wang Liang
Department of SIEE and China University of Mime Technology，Xuzhou，Jiangsu (221008)
Abstract
According to the analysis of the status of wireless communication for coal mine underground, a
suggestion of using OFDM-CR wireless communication system for coal mine underground
communication was proposed. The research directions of OFDM-CR application are presented. A
new way of underground communication is put forward.
Keywords：Mine；Communication；OFDM；CR
作者简介：王亮，男，1982 年生，硕士研究生，主要研究方向是通信与信息系统和认知无
线电。
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