电磁波在煤矿井巷的传输不仅会因巷道壁的吸收引起大的衰耗,更主要的是会频繁地发生反射和散射现象,形成多径效应。研究巷道电波的传播特性,一直是无线通信领域的难点。综合波模理论和几何光学方法的特点,提出运用多波模理论分析巷道内无线信道的大尺度衰落,几何光学方法分析巷道内的小尺度衰落,并建立了巷道内MIMO信道模型。在研究大尺度衰落过程中发展了波模理论,提出了多波模理论:(1)推导了高次模的介质波导损耗、散射损耗、倾斜损耗、分支损耗以及天线插入损耗的各个公式;(2)给出了波模数目的计算方法及公式;(3)考虑基模和各个高次模的共同作用,进一步推导了多波模作用下的介质波导、散射、倾斜、分支的损耗公式;(4)增大电磁波传输频率,介质波导损耗趋于收敛值;(5)考虑散射与倾斜损耗,给出最佳频率选择参考公式,以及参考表。通过仿真分析电磁波的传输衰落以及电波强度的分布情况,与文献所述实验数据基本相符。运用几何光学方法――帐篷定律,分析了无线信道的小尺度衰落。(1)定义了帐篷第三定律,把原先的标量建模发展成为矢量建模;(2)建立了巷道内MIMO信道模型。(3)对巷道内MIMO信道相关性进行了公式推导。通过仿真分析在巷道内信道的角度扩展较小,电波传输有较强的方向性,角度功率谱接近于拉普拉斯分布;巷道内的MIMO信道的相关性与天线阵列的布置密切相关,天线阵列最佳位置是垂直于轴心。天线间距达到10l时,可认为信道不相关。仿真结果与实验数据相吻合。MIMO要求天线阵列单元之间有足够的间距,使相关系数较小,才能够提供有效的子信道。矿井巷道横截面大小是否能够满足此空间要求,是一个关键性的问题。本文运用数学理论——本征模理论,研究分析在隧道受限空间本身(排除工程设计的因素)能够提供的空间自由度,给出了巷道内空间自由度的计算公式,得到了隧道空间能够提供的信道容量上限。通过仿真分析,只要合理的设计通信体,巷道内可提供一定的空间自由度,在距离300m处时,空间自由度为3。
