基于超宽带无线电的矿山无线通信技术研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张国鹏，钱建生 著

图书标签:

• 超宽带
• UWB
• 无线通信
• 矿山通信
• 无线电技术
• 矿山安全
• 信号处理
• 信道建模
• 定位技术
• 工业互联网

出版社： 中国矿业大学出版社

ISBN：9787564637491

版次：1

商品编码：12344537

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-10-01

用纸：胶版纸

页数：101

字数：128000

正文语种：中文

内容简介

　　《基于超宽带无线电的矿山无线通信技术研究》研究复杂矿井网络环境中的无线多媒体数据流传输问题，增强矿山无线传感器网络的服务质量并延长网络井下生存期。
　　《基于超宽带无线电的矿山无线通信技术研究》共分6章，涉及超宽带（UWB）和多天线（MIMO）融合理论、抗多径衰落的MIMO-UWB空时编码和解码方案、基于跨层设计的多跳中继节点选择和拓扑控制策略等三个具体的研究方向，提供了增强矿山无线传感器网络服务质量并延长其井下生存期的基本思路。

内页插图

目录

1 绪论
1．1 矿山无线网络的工作环境
1．2 面临的挑战
1．3 矿山无线通信网络的体系结构
1．4 主要研究内容

2 矿山无线网络实现的整体方案
2．1 基于MIMO-UWB的单跳链路空时编／解码方案
2．2 基于多跳传输的中继节点选择
2．3 面向全网节点能耗平衡的算法优化
2．4 矿山无线通信网络的特点

3 基于UWB的井下无线传感器网络倍道模型
3．1 煤矿井下的UWB通信系统
3．2 UWB信号的井下传播环境
3．3 UWB信号井下传播的信道建模
3．4 衰减模型
3．5 仿真实验
3．6 总结与展望

4 矿井环境下的UWB信号发射和接收策略
4．1 矿井环境下的UWB信号传输机理
4．2 UWB井巷衰减与多径传播特性
4．3 UWB井巷多径传播信道模型
4．4 UWB矿井多径衰落仿真实验
4．5 矿井UWB信号调制发射策略
4．6 矿井UWB信号接收策略
4．7 结论

5 矿井超宽带无线中继传输的误码率性能
5．1 矿井环境下UWB点对点传输
5．2 UWB单跳直接传输链路
5．3 UWB中继传输链路
5．4 仿真实验
5．5 结论

6 基于多天线阵列的矿井超宽带无线通信系统研究
6．1 矿井环境下UWB点对点传输
6．2 UWB井巷衰减与多径传播特性
6．3 基于SISO-UWB的矿井无线通信
6．4 基于MIMO-UWB的空时编／解码方案
6．5 仿真实验
6．6 结论

7 矿山应急通信网络的组网方案
7．1 矿山应急通信网络的重要作用
7．2 构建矿山应急通信网络所面临的挑战
7．3 矿山应急通信网络的组网研究
7．4 结论

附录
主要缩略语对照表
主要数学符号汇总

参考文献

前言/序言

　　煤矿井下恶劣的无线通信环境以及大规模多媒体传感数据的平行、汇聚传输，致使以矿井无线信道为传输介质的无线传感器网络（WSN）出现数据负载瓶颈，并由此导致多媒体数据流的QoS（误码率、时延和数据速率）无法得到保障等问题。尽管分布式信源编码和语音、图像、视频压缩处理算法可以在信源端减小多媒体数据的传输量（即WSN的数据负载压力），但仍无法从根本上解决煤矿井下海量数据传输以及多媒体数据流的QoS保障问题。煤矿井巷长距离、窄空间结构所导致的电磁波密集多径传播是矿山WSN多媒体数据流传输所面临的主要环境约束。若能够有效拟制矿井无线通信环境中的强多径衰落，就能在很大程度上突破矿山WSN的数据传输瓶颈，从而显著提高网络对多媒体数据流的容量并满足其QoS需求。
　　本书研究基于MIMO-UWB空时理论的WSN煤矿井下抗多径衰落机理，以增强井下单跳无线通信链路的QoS性能为研究起点，着重解决矿山WSN中基于多跳的MIMO-UWB数据传输以及多媒体数据流的QoS保障问题。
　　本书重点研究以下三个方面内容。
　　1.抗井下强多径衰落的单跳无线通信链路
　　运用UWB和MIMO无线通信理论可以有效提高地面无线通信系统的抗多径衰落能力。本书融合UWB和MIMO技术，研究MIMO-UWB抑制煤矿井下强多径衰落的关键技术。从研究矿山WSN的物理层和数据链路层出发，解决煤矿井下基于MIMO-UWB的空时编／解码策略等相关问题，提高矿山WSN单跳无线通信链路的QoS性能（误码率和单跳数据速率）。
　　2.面向QoS的煤矿井下长距离（多跳）多媒体数据流传输
　　受煤矿井下长距离、窄空间限制，矿山WSN多采用多跳组网方式。本书研究了煤矿井下面向QoS的多跳、多媒体流传输及其QoS保障问题，提出了将单跳（短距离）MIMO-UWB实施方案扩展至矿山WSN网络层的多跳（长距离）数据传输的方案，解决了面向QoS的多跳中继节点选择策略等网络层关键问题。
　　3.矿山WSN节点的能耗最小化和全网能耗平衡机制
　　煤矿井下高速多媒体数据流传输会加速无线传感器节点的能量消耗。无线传感器节点的能量受限特性以及各节点数据负载量的不一致性会导致矿山信息孤岛，即网络覆盖盲区的过早出现。为延长WSN的井下生存期、避免网络覆盖盲区的过早出现，本书研究了多媒体数据流传输过程中传感器节点的能耗最小化和全网节点的能耗平衡问题，以满足多媒体数据流的QoS需求为前提，以减小和平衡全网节点的能耗为目标，优化矿山WSN中的多跳中继节点选择策略以及中继节点的能耗策略，有效地延长了WSN在井下的生存期。
　　由于时间仓促，加之水平有限，疏漏和不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

《矿山通信新篇章：探索无线技术的无限可能》 内容概述： 本书深入剖析了矿山无线通信技术的发展现状、面临的挑战以及未来的发展趋势。作者以宏观的视角审视了矿山环境对通信系统的特殊要求，并在此基础上，详细阐述了多种新兴无线通信技术的原理、优势与局限性，旨在为矿山从业者、技术研发人员以及相关决策者提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考著作。 第一章：矿山通信的挑战与需求 1.1 矿山环境的复杂性： 地质结构与电磁干扰： 矿井深处、岩层阻隔、矿石的导电性，以及各类采矿设备运行时产生的电磁噪声，都会对无线信号的传播造成严重衰减和干扰。 空间广阔与结构复杂： 矿井巷道纵横交错，范围广阔，且存在大量的金属支架、设备等障碍物，形成复杂的传播路径，信号易产生多径效应和阴影区。 高粉尘、高湿度与易燃易爆环境： 矿井内的恶劣环境对通信设备的可靠性、安全性提出了严峻考验，必须选用符合防爆标准的设备，并考虑其耐腐蚀、防水防尘能力。 移动性需求： 井下人员和设备移动频繁，通信系统需要具备良好的移动性支持，保证通信的连续性和低时延。 恶劣天气与灾害风险： 矿山可能面临突发的瓦斯爆炸、透水、冒顶等灾害，通信系统在此时需要具备极强的鲁棒性，能够快速、可靠地传递报警信息和救援指令。 1.2 矿山通信的核心需求： 实时性与低时延： 关键任务，如人员定位、设备监控、远程控制、应急调度等，对通信的时延要求极低，必须保证信息的实时传递。 可靠性与稳定性： 任何通信中断都可能导致严重的生产安全事故，因此，通信的可靠性和稳定性是矿山通信的首要任务。 广覆盖与无缝漫游： 信号需要覆盖整个矿区，包括所有工作面、巷道、井口以及地面调度中心，并支持人员和设备在不同区域间的无缝切换。 安全性： 矿山通信需要保障信息的机密性，防止非法窃听和干扰，特别是在涉及重要生产指令和安全信息时。 高带宽与海量连接： 随着智能化采矿的发展，对视频监控、大数据传输、物联网设备的连接需求日益增长，需要更高的通信带宽和支持更多终端的连接能力。 易部署与易维护： 考虑到矿井环境的特殊性，通信系统的部署和维护应尽量简便，降低工程难度和运营成本。 成本效益： 在满足所有技术需求的前提下，通信系统的建设和运营成本也是重要的考量因素。 第二章：传统矿山通信技术的局限性 2.1 有线通信的固有缺点： 部署成本高昂且周期长： 敷设电缆需要打洞、布线，耗费大量人力物力，且在复杂地质条件下难度更大。 易受损且维护困难： 电缆容易被采掘活动、塌方、涌水等损坏，一旦损坏，修复难度大，影响范围广。 灵活性差： 随着生产布局的变化，有线网络需要重新布线，难以适应快速变化的生产需求。 数据传输速率有限： 传统有线通信技术在带宽和传输速率上存在瓶颈，难以满足日益增长的数据传输需求。 2.2 传统无线通信技术的不足： Wi-Fi与Zigbee： 覆盖范围受限： 信号易受墙体、岩石等障碍物衰减，难以实现大范围、深层次覆盖。 穿透能力弱： 尤其是在复杂的矿山环境中，穿透能力不足，容易形成信号盲区。 易受干扰： 容易受到工业环境中的其他无线设备和电磁噪声干扰，导致通信不稳定。 时延较高： 对于需要实时响应的应用，其时延可能无法满足要求。 GSM/CDMA（2G/3G）： 带宽不足： 难以支持高清视频、大数据等高带宽应用。 覆盖问题： 在地下深处信号衰减严重，覆盖效果不佳。 时延问题： 对于某些实时控制应用，时延仍有待提高。 LTE（4G）/5G（早期应用）： 初期部署成本高： 在矿山环境中部署基站和完善的覆盖网络，初期投资巨大。 功耗与散热问题： 井下部署的通信设备需要考虑功耗和散热问题，对设备提出了更高要求。 对环境的适应性： 需要适应矿井的潮湿、粉尘等恶劣环境。 第三章：新兴无线通信技术在矿山的潜力 3.1 软件定义无线电（SDR）在矿山通信中的灵活性： 适应性强： 通过软件配置，SDR能够灵活地适应不同的通信标准和协议，降低了对硬件的依赖。 快速部署与升级： 能够快速部署新的通信功能，并方便地进行软件升级，以适应不断发展的技术需求。 频谱利用率高： 能够更有效地利用可用频谱资源，提高通信系统的整体效率。 抗干扰能力： 通过软件算法，可以实现更高级的抗干扰和信号处理功能。 3.2 低功耗广域网（LPWAN）技术的应用： LoRa/NB-IoT： 长距离覆盖： 能够实现数公里的远距离通信，有效覆盖矿井的广阔区域。 低功耗设计： 终端设备功耗极低，可以实现电池供电，大大降低了部署和维护成本。 海量连接能力： 适合连接大量的传感器和物联网设备，实现全面的数据采集。 应用场景： 矿压监测、瓦斯浓度监测、人员定位、设备状态上报等。 3.3 5G通信在矿山的演进与机遇： 高带宽与低时延： 5G的eMBB（增强移动宽带）和URLLC（超可靠低时延通信）特性，为高清视频监控、远程操控、实时数据分析等应用提供了可能。 网络切片： 能够为不同的应用场景提供独立的、定制化的网络服务，保证关键应用的性能。 边缘计算： 与5G结合，实现数据在网络边缘的就近处理，进一步降低时延，提高响应速度。 智能矿山建设： 5G是实现矿山智能化、无人化作业的关键支撑技术。 3.4 工业以太网与无线技术的融合： WPAN（Wireless Personal Area Network）： 如Wi-Fi 6（802.11ax）的增强性能，在覆盖、速率和多用户接入方面有显著提升，可用于局部区域的高速数据传输。 TSN（Time-Sensitive Networking）： 确保工业控制系统中数据的确定性传输，与无线技术结合，实现对实时性要求极高的自动化控制。 第四章：智能矿山通信系统的设计原则与关键技术 4.1 系统架构设计： 分层模型： 考虑接入层、网络层、应用层等不同层次的功能划分，实现模块化设计。 融合通信： 将多种无线技术进行融合，形成优势互补的通信网络，满足不同场景的需求。 边缘计算集成： 将计算能力下沉到网络边缘，减少数据传输量，提高实时性。 云平台支撑： 构建云端管理平台，实现对整个通信系统的集中监控、配置和维护。 4.2 关键技术探讨： 信号传播模型与覆盖优化： 针对矿井环境，研究更精确的信号传播模型，通过基站选址、天线优化等技术实现信号的有效覆盖。 抗干扰与信道估计： 采用先进的信号处理技术，如自适应滤波、信道均衡等，提高通信的鲁棒性。 多用户接入与资源调度： 优化多用户接入算法，提高频谱利用效率，保证用户公平性。 移动性管理与无缝切换： 设计高效的移动性管理机制，保证用户在移动过程中的通信连续性。 网络安全防护： 采用加密、认证、访问控制等技术，保障通信数据的安全。 能效管理： 优化设备功耗，降低运营成本，符合绿色矿山建设理念。 第五章：矿山无线通信技术的应用前景与展望 5.1 智能化采矿与自动化作业： 远程操控： 实现采掘设备、运输车辆的远程自动化控制，提高作业效率和安全性。 无人值守： 逐步实现矿井的无人值守，降低人力成本，减少人员暴露在危险环境中的风险。 智能感知与决策： 通过物联网设备采集海量数据，利用大数据分析和人工智能技术，实现矿山生产的智能感知和辅助决策。 5.2 安全生产与应急响应： 人员精准定位与生命体征监测： 实时掌握井下人员位置和健康状况，提高应急救援效率。 灾害预警与监测： 实时监测瓦斯、粉尘、温度、湿度等环境参数，及时发出预警。 应急通信保障： 在灾害发生时，提供稳定可靠的通信通道，支持指挥调度和信息传递。 5.3 绿色矿山与可持续发展： 能耗优化： 通过智能化管理和高效通信技术，降低矿山整体能耗。 环境监测： 实时监测矿山环境，保护生态，实现可持续发展。 5.4 未来发展方向： 人工智能与机器学习在通信中的深度融合： 用于网络优化、故障预测、资源调度等。 天地一体化通信网络： 将地面和井下通信与卫星通信相结合，实现全时域、全方位的通信覆盖。 区块链技术在矿山数据安全与可信度方面的应用。 新型传感技术与通信技术的协同发展。 结论： 矿山无线通信技术的创新与发展，是推动矿业转型升级、实现智能化、安全化、绿色化的关键驱动力。本书从理论到实践，从现状到未来，全面梳理了这一领域的挑战与机遇，为构建新一代高效、可靠、智能的矿山通信网络提供了宝贵的参考。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对通信技术充满好奇的普通读者，我对于“超宽带无线电”这个概念本身就感到十分新奇。我通常对那些能够解决实际问题，尤其是像矿山这种特殊环境下的技术研究特别感兴趣。我印象中的矿山，是一个充满挑战的地下世界，信号传输困难重重，而这本书的标题直接点出了“矿山无线通信技术”，这让我联想到书中可能描绘了如何将原本可能只在实验室或特定应用中使用的超宽带技术，巧妙地运用到如此复杂和危险的环境中。我猜测书中或许会详细介绍超宽带技术的原理，比如它为何能够实现极高的带宽和极低的发射功率，以及这种技术在穿透岩石、应对金属干扰等方面的独特优势。我还期待书中能够分享一些案例研究，展示超宽带技术在实际矿山部署中遇到的问题，以及作者团队是如何克服这些困难的。毕竟，理论研究的价值最终体现在其应用的可行性上。我希望这本书能够用通俗易懂的语言，让我这个非专业人士也能领略到这项技术的神奇之处，并理解它对改变矿业面貌的意义。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对科技创新及其在各领域应用的融合抱有浓厚兴趣的普通读者。当我看到“基于超宽带无线电的矿山无线通信技术研究”这个书名时，我的脑海中立刻浮现出无数关于地下世界的想象，以及那里可能存在的通信难题。我对于这本书的期待，是希望它能像一扇窗户，让我窥见科技如何为这个相对封闭且充满挑战的环境注入新的活力。我猜想书中会详细介绍超宽带技术的核心原理，以及它为何能够胜任矿山这种复杂多变的通信场景。我特别希望看到作者是如何解决信号衰减、电磁干扰等问题的，以及这项技术在数据传输速度、可靠性以及低功耗方面的优势是如何得到体现的。更重要的是，我期待书中能够描绘出这项技术在实际矿山应用中的具体场景，比如如何实现精准的人员定位、实时的设备监控，甚至是远程操控采矿设备，从而大幅提升矿山的自动化水平和安全性。这本书的研究价值，在我看来，在于它能否为矿山行业带来一场通信技术的革命，从而推动整个产业的升级与发展。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的期望，更多地集中在其对“研究”二字的深度挖掘上。一本真正的“研究”类书籍，应该能够清晰地展现出作者严谨的科学态度和深厚的学术功底。我希望《基于超宽带无线电的矿山无线通信技术研究》能够带领我走进一项前沿技术从概念到实践的完整探索过程。这可能意味着书中会包含大量的理论推导、仿真分析、实验设计，以及对实验结果的深入解读。我特别关注书中是否能够对超宽带技术在矿山环境下的性能进行量化分析，例如在不同深度、不同岩层结构下的信号衰减曲线，抗干扰能力的比对测试，以及数据传输的可靠性指标。同时，作为一名关注技术发展的读者，我也期待书中能够对不同类型的超宽带技术进行梳理和比较，分析它们各自的优缺点以及在矿山应用中的适用性。更进一步，我希望书中能够对超宽带在矿山通信中的标准化、安全性以及未来发展趋势进行前瞻性的探讨，为该领域的进一步研究提供有益的启示。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，让我看到了科技进步在改变传统产业方面所能发挥的巨大力量。作为一名长期关注新兴技术在各行各业应用的观察者，我对于“超宽带无线电”这个概念充满了好奇，尤其是将其与“矿山”这一特殊场景结合起来。我对这本书的期待，是希望它能够提供一个全面而深入的视角，来理解这项技术如何能够克服矿井下恶劣的通信环境。我猜想书中会详细剖析矿山通信所面临的独特挑战，例如信号的穿透性、多径效应、高密度金属设备的干扰等，然后深入浅出地解释超宽带技术是如何针对这些挑战提出创新性的解决方案的。我很想知道，作者是如何设计和实现一套适用于矿山环境的超宽带无线通信系统的，其中涉及到哪些关键的技术细节和工程考量。此外，我还对书中可能包含的实际应用案例和性能评估数据非常感兴趣，这能帮助我更直观地认识到这项技术在提高矿山生产效率、保障人员安全方面所能带来的实际效益。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题就极具吸引力——“基于超宽带无线电的矿山无线通信技术研究”。我是一位长期关注矿业发展和技术革新的读者，一直以来，矿井深处的通信问题都是制约安全生产和效率提升的一大瓶颈。传统的通信方式，无论是布线还是使用其他无线技术，都面临着信号衰减严重、易受干扰、铺设成本高昂、甚至存在安全隐患等诸多挑战。因此，当看到“超宽带无线电”这一可能颠覆传统的技术出现在矿山通信领域时，我立刻产生了浓厚的兴趣。这本书的出现，无疑为我提供了一个深入了解这一前沿技术在极端环境下应用前景的绝佳机会。我非常期待书中能够详尽地阐述超宽带技术在矿山井下复杂地质条件下的穿透能力、抗干扰性能以及其在数据传输速率上的优势。同时，我也希望作者能够深入探讨超宽带在矿山安全监测、人员定位、设备远程控制等方面的具体实现方案，以及相关的技术瓶颈和潜在的解决方案。这本书的研究价值，很可能在于其对现有矿山通信模式的革新潜力，以及为构建更智能、更安全的矿山环境提供技术支撑。