ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. №9
Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)

English page

 

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.9.11

УДК: 621.396

 

БЮДЖЕТ ПОДЗЕМНОГО КАНАЛА БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ СКВОЗЬ ГОРНУЮ ПОРОДУ

 

Д. В. Федосов1, А. В. Николаев2, 3, А. В. Колесников1

 

1 КВ-СВЯЗЬ, 644012, Омск, пр. Академика Королева, 32

2 Московский технический университет связи и информатики, 111024, Москва, Авиамоторная улица, д.8а

3 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 101990, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д.4

 

Статья поступила в редакцию 7 сентября 2021 г.

 

Аннотация. В настоящее время для беспроводной связи сквозь горную породу в шахтах находят применение радиостанции диапазона сверхдлинных волн (СДВ) мощностью в несколько сотен и тысяч Вт с крупногабаритными антеннами (сотни и тысячи метров). Такие радиостанции позволяют обеспечивать односторонний канал связи с информированием горняков о возникновении аварийных ситуаций. Кроме того, в последнее время распространение получили и портативные радиостанции диапазона средних волн (СВ), которые используют для связи направляющие одно- или двухпроводные линии, проложенные вдоль горных выработок, и малогабаритные антенны. В связи с этим актуальной научной задачей является оценка бюджета подземного канала беспроводной связи сквозь горную породу при использовании портативной радиостанции и малогабаритных антенн. Цель статьи: провести анализ характеристик каналов подземной связи в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц, сравнить бюджет и отношение сигнал/шум СВ канала с каналами диапазона низких частот (НЧ). В результате проведенного анализа оценены потери в подземном канале связи в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц: на выходе передающей антенны, в месте приёма, на выходе приёмной антенны. Приведен подробный расчет бюджета на частоте 1 МГц для радиотрассы протяженностью 100 метров для различных, характерных для горных пород, значений электропроводности. Акцентировано внимание на коэффициенте полезного действия (КПД) малогабаритной антенны и его вкладе в бюджет канала связи. Показано, что два противоположных фактора: падение КПД антенны и снижение потерь в полупроводящей среде при понижении рабочей частоты - приводят к возникновению оптимальных частот радиосвязи, зависящих от различных значений электропроводности горных пород, являющихся полупроводящими средами. Полученные результаты исследований обоснованно подтверждают эффективность применения малогабаритных (в том числе портативных) радиостанций диапазона СВ для организации двусторонней беспроводной связи между горизонтами в шахтах. Полученные оптимальные частоты позволяют выбрать рабочий диапазон в рудниках, расположенных в горных породах с различными электрофизическими характеристиками.

Ключевые слова: подземная связь, шахтная связь, аварийная связь, полупроводящая среда, бюджет канала связи, малогабаритная антенна, электрически малая антенна.

Abstract. At present, radio stations of the very-long wave (VLW) range with a power of several hundred and thousands of watts with large antennas (hundreds and thousands of meters) are used for wireless through-the-earth communication in mines. Such radio stations allow providing a one-way communication channel informing miners about emergencies. In addition, in recent years, portable radio stations of the medium-frequency (MF) band have also become widespread, which use monofil or bifilar lines laid along mine tunnel for communication, and electrically small antennas. In this regard, an urgent scientific task is to estimate the budget of an underground wireless communication channel wireless through-the-earth using a portable radio station and electrically small antennas. Purpose of the article: to analyze the characteristics of through-the-earth communication channels in the range from 1 kHz to 10 MHz, to compare the budget and signal-to-noise ratio of the MF channel with the channels in the low frequency (LF) band. As a result, the losses in the through-the-earth communication channel in the range from 1 kHz to 10 MHz are estimated: at the output of the transmitting antenna, at the receiving point, at the output of the receiving antenna. A detailed calculation of the budget at a frequency of 1 MHz for a radio path with a length of 100 meters for various values of electrical conductivity characteristic of rocks is presented. Attention is focused on the antenna efficiency and its contribution to the budget of the communication channel. It is shown that two opposite factors: a drop in the antenna efficiency and a decrease in losses in a semiconducting medium with a decrease in the operating frequency, lead to the emergence of optimal radio frequencies, depending on various values of the electrical conductivity of rocks, which are semiconducting media. Practical relevance. The obtained research results justifiably confirm the effectiveness of using small-sized (including portable) radio stations of the MF band for organizing two-way through-the-earth communication between levels in mines. The obtained optimal frequencies make it possible to select the operating range in mines located in rocks with different electrophysical characteristics.

Key words: through-the-earth communications, mine communications, emergency communications, semiconducting medium, communications channel budget, electrically small antenna.

 

Литература

1.       Трубецкой К.Н. Состояние и основные направления освоения ресурсов земных недр. Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2020. №3. С.8-15. https://doi.org/10.32454/0016-7762-2020-63-3-8-15  .

2.       Корчагин Ю.А., Саломатов В.П., Чернов А.А. Радиосвязь в проводящих средах. Новосибирск, Наука. 1990. 148 с.

3.       Yarkan S., Guzelgoz S., Arslan H., Murphy R. Underground mine communications: A survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2009. Vol.11. No.3. P.125-142. https://doi.org/10.1109/SURV.2009.090309.

4.       Forooshani A.E., Bashir S., Michelson D.G., Noghanian S. A survey of wireless communications and propagation modeling in underground mines. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2013. Vol.15. No.4. P.1524-1545. https://doi.org/10.1109/SURV.2013.031413.00130.

5.       Yan L., Zhou Ch., Reyes M., Whisner B., Damiano N. Mathematical modeling and measurement of electric fields of electrode-based through-the-earth (TTE) communication. Radio Science. 2017. Vol.52. No.6. P.731-742. https://doi.org/10.1002/2016RS006242.

6.       Yan L., Waynert J.A., Sunderman C. Measurements and modeling of through-the-earth communications for coal mines. IEEE Transactions on industry applications. 2013. Vol.49. No.5. P.1979-1983. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2260116.

7.       Damiano N., Yan L., Whisner B., Zhou Ch. Simulation and measurement of through-the-earth, extremely low-frequency signals using copper-clad steel ground rods. IEEE Transactions on Industry Applications. 2017. Vol.53. No.5. P.5088-5095. https://doi.org/10.1109/TIA.2017.2703625.

8.       Liu Y., An Zh., Wang Q., Pan R., Liu X., Liu J. Research on intrinsic-safe through-the-earth radio communication system technology with large depth. 2020 12th International Conference on Communication Software and Networks. 12-15 June 2020. https://doi.org/10.1109/ICCSN49894.2020.9139108.

9.       Carreno J.P., Silva L.S., Almeida Nevis S.O., Aguayo L., Braga A.J., Barreto A.N., Uzeda Garcia L.G. Through-the-Earth (TTE) communications for underground mines. Journal of Communication and Information Systems. 2016. Vol.31. No.1. P.164-176. https://doi.org/10.14209/jcis.2016.15.

10.       Carreno J. P., Barreto A.N., Braga J. Propagation loss and apparent conductivity models for Through-the-Earth communication in sedimentary soil. IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2019. Vol.13. No.9. P.1382-1388. https://doi.org/10.1049/iet-map.2018.5793.

11.       Shaydurov G.Y., Kudinov D.S., Kokhonkova E.A., Shchitnikov A.A. Through-the-Earth communication in underground mines by electromagnetic waves. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 12-14 May 2016. https://doi.org/10.1109/SIBCON.2016.7491771.

12.       Kutta Radios - Technology Overview [online]. Дата обращения: 06.09.2021. URL: https://www.kuttaradios.com/index.html.

13.       Радиосистема «КИС-1» [online]. Дата обращения: 06.09.2021. URL: http://www.mobilradio.ru/radios/vebr/?vebr_kis-1.

14.       Аппарат высокочастотной горноспасательной связи «Кварц–3М» [online]. Дата обращения: 06.09.2021. URL: http://promimpex.su/index/kvarc_3m/0-46.

15.       FERRA L1 – компактная средневолновая радиостанция для подземной и наземной радиосвязи [online]. Дата обращения: 06.09.2021. URL: http://xferra.ru/products/ferra-l1/ferra-l1.php.

16.       Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов: учебник для вузов. Москва, Связь. 1980. 288 с.

17.       Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Москва, Издательский дом «Вильямс». 2007. 1104 с.

18.       Balanis C.A. Antenna theory. Analysis and Design. John Wiley & Sons Inc. 2016. 1072 p.

19.       Fedosov D.V., Kolesnikov A.V., Nikolaev A.V., Starchenkov A.V., Titovets P.A. Calorimetric method for measurement of electrically small antennas efficiency. 2021 Systems of signals generating and processing in the field of on board communications, conference proceedings, 16-18 March 2021. https://doi.org/10.1109/IEEECONF51389.2021.9416092

20.       Пархоменко Э.И. Электрические свойства горных пород. Москва, Наука. 1965. 164 с.

21.       Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н., Финкельштейн М.И. Подповерхностная радиолокация. Москва, Радио и связь. 1994. 216 с.

22.       Под ред. Хмелевского В.К., Бондаренко В.М. Электроразведка. Москва, Недра. 1989. 438 c.

23.       Zhang H., Zhu M., Li X., Han W., Liu Zh. Very low frequency propagation characteristics analysis in coal mines. IEEE Access. 2020. Vol.8. P.95483-95490. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2995678.

24.       Рекомендация МСЭ-R P.372-11. Радиошум [online]. Международный союз электросвязи. Дата обращения: 06.09.2021. URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.372-11-201309-S!!PDF-R.pdf .

25.       Кореннов Б.И. Исследование условий распространения радиоволн на шахтах Севера и разработка аппаратуры шахтной связи. Якутск, Институт горного дела Севера. 1983. URL: https://www.dissercat.com/content/issledovanie-uslovii-rasprostraneniya-radiovoln-na-shakhtakh-severa-i-razrabotka-apparatury-

Для цитирования:

Федосов Д.В., Николаев А.В., Колесников А.В. Бюджет подземного канала беспроводной связи сквозь горную породу. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.9.11