空分多址技術(shù)在煤礦通信中的應用前景

第27卷第3期徐州工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版2012年9月VoL. 27 No. 3Journal of Xuzhou Institute of Technology (Natural Sciences Edition)Sep.2012空分多址技術(shù)在煤礦通信中的應用前景徐永剛,王丹(中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院,江蘇徐州221008)摘要:空分多址(SDMA)技術(shù)是智能天線(xiàn)技術(shù)的集中體現,該技術(shù)通過(guò)用戶(hù)空間特征的差異,用陣列天線(xiàn)實(shí)現同一信道中多個(gè)用戶(hù)的同步通信,同時(shí)把通信系統可利用的資源擴展到空間域.空分多址技術(shù)通過(guò)信號不同的空間傳播路徑來(lái)區分用戶(hù),并且該技術(shù)又可以與其他的多址方式相互兼容.使用這種技術(shù)可以大大提高通信系統的功能,煤礦井下無(wú)線(xiàn)通信是一個(gè)技術(shù)難度較大的課題,巷道條件對電磁波傳輸影響很大,并且電磁波在礦井巷道和工作面內的傳播是非自由空間,存在嚴重的多徑衰落現象.SDMA技術(shù)應用中有減小多徑效應的功能,將其應用在煤礦井下會(huì )給未來(lái)煤礦井下通信質(zhì)量的提高和改善帶來(lái)巨大突破關(guān)鍵詞:空分多址;智能天線(xiàn);通信系統;煤礦中圖分類(lèi)號:TN929.5文獻標識碼:A文章編號:1674358X(2012)030051-05煤礦安全一直是煤礦生產(chǎn)中最受關(guān)注的問(wèn)題.然而煤礦通信系統對于采煤生產(chǎn)來(lái)說(shuō)同樣至關(guān)重要,煤礦通信系統分為礦區地面通信系統和煤礦井下通信系統兩部分,隨著(zhù)地面現有移動(dòng)通信系統的迅猛發(fā)展,礦區地面的通信系統很穩定且可靠,逐步實(shí)現了數字化、程控化、網(wǎng)絡(luò )化.煤礦生產(chǎn)基本都是在地下進(jìn)行的,環(huán)境不同于地面,一切都在人的控制和監測范圍,井下的環(huán)境比較復雜,機車(chē)人員活動(dòng)頻繁,巷道狹小,環(huán)境惡劣故而使得煤礦井下巷道和巖層的電磁特性更加復雜.在這種充滿(mǎn)發(fā)射波和反射波的傳播環(huán)境下,數據在信道中傳輸時(shí)會(huì )產(chǎn)生嚴重的碼間干擾,繼而限制了無(wú)線(xiàn)通信空分多址技術(shù)及智能天線(xiàn)的發(fā)展為通信系統的改善帶來(lái)了很多的新方法和解決思路.智能天線(xiàn)匯聚了已有的多址(FDMA、TDMA、CDMA)方式,又將第四種多址方式—SDMA(空分多址)納入應用,從而增加了容量.智能天線(xiàn)的本質(zhì)用戶(hù)2用戶(hù)1是采用自適應的方法對應用空間進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和利用.其主要利用空間位置的不同來(lái)區分不同的用戶(hù),即150使在相同的頻率、相同地址碼或相同時(shí)隙的情況下,仍然可以根據信號不同的空間傳播路徑來(lái)區分,從而支持多址的通信完成多個(gè)用戶(hù)間的有效分離.理想的SDMA能夠為每個(gè)用戶(hù)提供獨立的空間信道,根據用戶(hù)在空間傳播的不同路徑同時(shí)對多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)進(jìn)行波210束跟蹤,如圖1所示,SDMA為多個(gè)用戶(hù)提供多址通信.用戶(hù)3SDMA的這種增加信道容量的方式與其他的240300CDMA等多址技術(shù)的方式完全兼容2,智能天線(xiàn)的這270一優(yōu)點(diǎn)使得系統的容量增大,同時(shí)系統的抗干擾能力圖1SDMA為每個(gè)用戶(hù)建立空間信道和頻譜的利用率都會(huì )得到進(jìn)一步的提高,SDMA為解收稿日期:2011-1225作者簡(jiǎn)介:徐永剛(1977-),男,四川平昌人,講師,博士,碩士生導師,主要從事智能信息處理及通信軟件平臺方面的研究51徐州工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)2012年第3期決當前移動(dòng)通信系統中的關(guān)鍵技術(shù)和問(wèn)題提供了新的技術(shù)支持和新的解決方案1空分多址技術(shù)1.1空分多址技術(shù)的研究背景智能天線(xiàn)也叫自適應陣列天線(xiàn),它由天線(xiàn)陣、波束形成網(wǎng)絡(luò ).它通過(guò)滿(mǎn)足某種準則的算法去調節各陣元信號的加權幅度和相位,從而調節天線(xiàn)陣列的方向圖形狀,達到增強所需信號抑制干擾信號的目的.智能天線(xiàn)技術(shù)適宜于TDD方式的CDMA系統,能夠在較大程度上抑制多用戶(hù)干擾,提高系統容量.但是由于存在多徑效應,每個(gè)天線(xiàn)均需一個(gè)Rake接收機,從而使基帶處理單元復雜度明顯提高.智能天線(xiàn)通常包括多波束智能天線(xiàn)和自適應陣智能天線(xiàn).智能天線(xiàn)最初廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域,由于價(jià)格等因素直未能普及到其它通信領(lǐng)域近年來(lái),現代數字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速,數字信號芯片處理能力不斷提高,芯片價(jià)格已經(jīng)可以為現代通信系統所接受.同時(shí),利用數字技術(shù)在基帶形成天線(xiàn)波束成為可能,以此代替模擬電路形成天線(xiàn)波束的方法,提高了天線(xiàn)系統的可靠性與靈活程度,智能天線(xiàn)技術(shù)因此開(kāi)始在移動(dòng)通信中得到應用.另一方面移動(dòng)通信用戶(hù)數增加迅速,人們對移動(dòng)通話(huà)質(zhì)量的要求也不斷提高,這要求蜂窩小區在大容量下仍有高的話(huà)音質(zhì)量.使用智能天線(xiàn)可以在不顯著(zhù)增加系統復雜度的情況下滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量和擴充容量的需要.不同于常規的扇區天線(xiàn)和天線(xiàn)分集方法,通過(guò)在基站使用全向收發(fā)智能天線(xiàn),可以為每個(gè)用戶(hù)提供一個(gè)窄的定向波束,使信號在有限的方向區域發(fā)送和接收,充分利用了信號發(fā)射功率,降低了信號全向發(fā)射帶來(lái)的電磁污染與相互干擾.不同于傳統的時(shí)分多址(TDMA)頻分多址(FDMA)或碼分多址(CDMA)方式,智能天線(xiàn)引人了SDMA方式,在時(shí)隙、頻率或地址碼都相同的情況下,用戶(hù)仍可以根據信號不同的空間傳播路徑而區分1.2空分多址技術(shù)的概念SDMA體制使用陣列天線(xiàn),通過(guò)在角度域上提供的虛信道來(lái)控制空間.空分多址技術(shù)是在一個(gè)小區內使用相同的時(shí)隙、相同的工作頻率和相同的擴頻碼,通過(guò)不同的波束為眾多用戶(hù)服務(wù).SDMA通過(guò)用陣列天線(xiàn)來(lái)提供對空間的動(dòng)態(tài)控制,從而增加了一個(gè)維度.圖2中所示,不同方向上的移動(dòng)臺(MS)、基站(BS)采用陣列信號處理技術(shù)形成了具有不同指向的波束來(lái)分別與各移動(dòng)臺進(jìn)行通信,從而實(shí)現了空分多址空分多址技術(shù)的基本思想是使能量沿著(zhù)各個(gè)用戶(hù)方向傳輸MSi般情況下,移動(dòng)的速度取決于用戶(hù)的移動(dòng)速率和空間位置,故而MS口在基站一側所接收到用戶(hù)信號的DOA、多徑等特征和多普勒頻移MSN也就不相同.空分多址技術(shù)就是利用存在的這些特征差異,根據陣列天線(xiàn)在不同用戶(hù)方向上形成的定向波束,同時(shí)在同一個(gè)信道上發(fā)送和接收多個(gè)用戶(hù)的信號且不發(fā)生互相干擾的情況下實(shí)現了它的功能3.并且空分多址技術(shù)使得通信資源不再局限在時(shí)間和頻率域,而是已經(jīng)拓寬到了空間域.這也是SDMA的最大不同之處個(gè)非常理想的空分多址系統可以為每個(gè)用戶(hù)形成不同的波圖2空分多址示意圖束,使用戶(hù)始終處于波束的中心,通過(guò)基站跟蹤用戶(hù)的具體位置來(lái)實(shí)現.即用戶(hù)可以使用同一時(shí)間同一信道實(shí)現雙向通信.SDMA有自適應多波束形成和固定多波束切換這兩種工作方式,這種多波束可以提高通信系統的信噪比和誤碼率從而可以提高系統的整體容量.同時(shí)SDMA可以自適應地調節天線(xiàn)增益,從而較好的解決遠近效應1.3智能天線(xiàn)的工作原理智能天線(xiàn)包括射頻天線(xiàn)陣列部分和信號處理部分,其中信號處理部分根據得到的關(guān)于通信情況的信息,實(shí)時(shí)地控制天線(xiàn)陣列的接收和發(fā)送特性這些信息可能是接收到的無(wú)線(xiàn)信號的信息,在使用閉環(huán)反饋的形式時(shí),也可能是通信端關(guān)于發(fā)送信號接收情況的反饋信息.把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線(xiàn)陣元,按一定的方式排列,構成天線(xiàn)陣列構成陣列的陣元可按任意方式排列,通常是按直線(xiàn)等距、圓周等距或平面等距排列,其間距通常取工作波長(cháng)的一半,并且取向相同.智能天線(xiàn)系統由天線(xiàn)陣列部分、陣列形狀、模數轉換等幾部分組成,如圖3所示.實(shí)際智能天線(xiàn)結構比圖3要復雜,因為圖3中表示的是單個(gè)用戶(hù)·52·徐永剛,等:空分多址技術(shù)在煤礦通信中的應用前景情況,假如在一個(gè)小區中有K個(gè)用戶(hù),則圖3中僅天線(xiàn)陣列和模數轉換部分可以共用,其余自適應數字信號處理器與相應的波束形成網(wǎng)絡(luò )需要每個(gè)用戶(hù)一套,共K套.以形成K個(gè)自適應波束跟蹤K個(gè)用戶(hù),被跟蹤的用戶(hù)為期望用戶(hù),剩下的(K-1)均為干擾用戶(hù),智能天線(xiàn)可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益在干擾源的方向降低增益.因此,智能夭線(xiàn)系統的應用可以帶來(lái)提高系統容量、減小衰減、抗干擾能力較強、實(shí)現移動(dòng)臺定位、增強網(wǎng)絡(luò )管理能力等好處天線(xiàn)陣模數轉換波束形成網(wǎng)絡(luò )本地參考信號Aa2(o) aDiN wyY(r)轉〓〓〓〓〓〓〓〓〓〓≥〓Es(c)自適應算法信號入射角數字信號處理器自適應數字信號處理器圖3智能天線(xiàn)原理圖2煤礦井下的通信技術(shù)及存在問(wèn)題現代化煤炭工業(yè)的發(fā)展,需要髙效安全穩定的煤礦信息通信系統.提岀并實(shí)現安全可靠的煤礦通信系統對于煤礦的安全生產(chǎn)及井下工人的生命安全具有極大的保障和重大的現實(shí)意義,然而井下電磁波環(huán)境十分復雜,空間受限、非視距傳播和多徑衰落以及機電噪聲的影響使得井下通信質(zhì)量難以保證.多年來(lái)煤礦井下通信技術(shù)的發(fā)展大大于落后地面通信技術(shù)的發(fā)展2.1煤礦井下無(wú)線(xiàn)信道特征礦井無(wú)線(xiàn)通信系統的設計離不開(kāi)對礦井信道特性的研究,作為一種空間受限、傳輸路徑呈不規則導管狀的傳輸信道,有著(zhù)與地面一般無(wú)線(xiàn)信道的共性的方面,也有自身獨特的形狀煤礦井下的通信存在多徑傳播現象明顯,發(fā)射機和接收機之間的障礙物及井下復雜的環(huán)境會(huì )造成頻繁的發(fā)生折射、反射、散射現象等,致使到達接收機的信號是由多個(gè)路徑的信號合成,產(chǎn)生多徑效應,而且井下環(huán)境特殊,電磁波傳輸的距離僅百米,故接收點(diǎn)的信號也十分微弱.在煤礦井下接收機接收到的信號為時(shí)變信號且井下機電噪聲干擾比較大時(shí),井下電磁波多徑衰落比較嚴重2.2煤礦井下通信研究現狀及存在問(wèn)題由于井下無(wú)線(xiàn)環(huán)境十分惡劣,井下無(wú)線(xiàn)通信是一個(gè)技術(shù)難度較大的課題.首先,巷道條件對電磁波傳輸影響很大.電磁波在礦井巷道和工作面內的傳播是一非自由空間,存在嚴重的多徑衰落現象;其次,巷道和工作面頂底板存在起伏,并且在水平方向根據煤層和巖層的走向變化會(huì )形成各種彎度,非視距的無(wú)線(xiàn)通信大大降低了無(wú)線(xiàn)信號的傳輸距離;再次,無(wú)線(xiàn)電波(尤其是短波和超短波)在井下傳播受到的傳輸衰減很大,天線(xiàn)的發(fā)射效率很低.井下機電設備配置量很大、功率高、啟動(dòng)頻繁,所產(chǎn)生的電氣噪聲頻譜寬、電平高,對有用信號的影響巨大,這使得井下通信更加困難電磁波在礦井巷道中傳播衰耗嚴重,無(wú)線(xiàn)通信距離短,已成為制約有效實(shí)現礦井巷道中無(wú)線(xiàn)通信的瓶頸問(wèn)題隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展與國家對礦山數字化、網(wǎng)絡(luò )化的推進(jìn)工作以及對煤礦生產(chǎn)安全的高度重視,煤礦的通信技術(shù)通訊條件水平得到了很大的提高.煤礦井下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)大量興起,井下的通訊設備由最初的防爆電話(huà)演變?yōu)楝F在廣泛使用的移動(dòng)通信設備和系統,用戶(hù)可攜帶手機隨時(shí)隨地進(jìn)行井下工作的溝通和安排,為煤礦的生產(chǎn)提供了方便,同時(shí)工作效率大大得到了提高.下一代網(wǎng)絡(luò )WLAN的發(fā)展為通信技術(shù)發(fā)展的主·53徐州工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)2012年第3期流,尤其是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù) Zigbee和Wi-Fi技術(shù)在煤礦中的應用會(huì )越來(lái)越廣泛,最終在煤礦將形成電纜與光纜、固定與移動(dòng)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)相混合的大容量、多信道、多功能的全覆蓋移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )下一代網(wǎng)絡(luò )采用2.4GHz頻率傳輸,帶寬最高可達54Mb/s,在家庭、企業(yè)內部可用于數據傳輸.此系統有著(zhù)極高的傳輸速率,且協(xié)議公開(kāi),很適合作為下一代通訊系統的平臺.目前已有廠(chǎng)家在此技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)研究,發(fā)展應用于煤礦井下的WLAN無(wú)線(xiàn)通信系統.井下WLAN無(wú)線(xiàn)通信系統可解決井下用戶(hù)的語(yǔ)音通訊、人員定位問(wèn)題,并且井下無(wú)線(xiàn)通信系統結構簡(jiǎn)單,組網(wǎng)靈活,使用范圍廣泛,方便煤礦的人員管理和環(huán)境監測目前針對煤礦用戶(hù)存在的通訊不暢、系統繁多、維護復雜等安全隱患難題,從根本上解決有很大困難煤礦井下的通信存在多徑傳播現象明顯,空間和環(huán)境復雜,同時(shí)電磁波多徑衰落比較嚴重.無(wú)線(xiàn)傳輸效率大大降低,解決這個(gè)問(wèn)題迫在眉睫,也是解決井下無(wú)線(xiàn)傳輸的關(guān)鍵3空分多址技術(shù)在煤礦井下的應用及優(yōu)勢與多址技術(shù)結合的方式是一種新的思路和方法,目前一些礦區的信息通信系統只是為一種應用來(lái)設計的,但是下一代通信系統會(huì )將多種功能和應用結合在一起.為了達到高速率并且具有足夠的能力克服煤礦井下通信系統中的信道多徑效應、多種調制方式兼容性以及衰落的影響等問(wèn)題,考慮到SDMA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),可以嘗試將SDMA技術(shù)應用在煤礦通信系統中3.1空分多址技術(shù)的優(yōu)勢智能天線(xiàn)在移動(dòng)通信中的用途主要包括抗衰落、抗干擾、增加系統容量以及移動(dòng)臺的定位.空分多址技術(shù)的優(yōu)勢在移動(dòng)通信中的優(yōu)勢很明顯,煤礦井下的通信比井上更復雜,環(huán)境更惡劣,因此更需要好的通信來(lái)保證井下生產(chǎn)安全有效的進(jìn)行1)抗衰落性:采用智能天線(xiàn)控制接收方向,天線(xiàn)自適應地構成波束的方向性,使得延遲波方向的增益最小,減少信號衰落的影響.智能天線(xiàn)還可以用于分集,減少衰落2)抗干擾性:高增益、窄波束智能天線(xiàn)陣用于 WCDMA基站,可減少移動(dòng)臺對基站的干擾,改善系統性能.抗干擾應用的實(shí)質(zhì)是空間域濾波.增加系統容量:為了滿(mǎn)足移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的巨大需求,應盡量擴大現有基站容量和覆蓋范圍.要盡量減少新建網(wǎng)絡(luò )所需的基站數量,就必須通過(guò)各種方式提高頻譜利用效率.方法之一是采用智能天線(xiàn)技術(shù),用多波束板狀天線(xiàn)代替普通天線(xiàn)4)實(shí)現移動(dòng)臺定位:目前蜂窩移動(dòng)通信系統只能確定移動(dòng)臺所處的小區.如果基站釆用智能天線(xiàn)陣,旦收到信號,即對天線(xiàn)元所連接收機產(chǎn)生的響應作相應處理,獲得該信號的空間特征矢量及矩陣,由此獲得信號的功率估值和到達方向,即用戶(hù)終端的方位3.2空分多址技術(shù)對于多徑效應的處理基于空分多址技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn),將其應用在煤礦井下具有很好的發(fā)展前景.多徑傳播會(huì )引起時(shí)延擴展,采用空分多址技術(shù)可以通過(guò)它形成的定向波束改變其它方向因時(shí)延帶來(lái)的信號,故而利用空分多址技術(shù)可以對煤礦井下信道中的多徑效應問(wèn)題有很好的解決和改善.針對多徑傳播引起的干擾,接收機需采用基于逆濾波的均衡技術(shù)或者基于時(shí)間分集技術(shù)的接收機,才可以保障系統的容量.多徑效應的存在使得CDMA通信系統中的數據接收問(wèn)題愈發(fā)復雜,不僅僅要考慮接收位置和傳播信道的不同,還要考慮到任意所需要的有用信號和噪聲信號的所有支路增益和支路相關(guān)情況.智能天線(xiàn)陣輸出信干噪比(SINR)的累積分布函數(CDF)都是非常有用的統計量,對其進(jìn)行近似分析,針對不同的調制方式,在相干平坦衰落和多徑干擾存在及概率密度函數已知的情況下,可以分析得出天線(xiàn)陣列最佳合成器的誤碼率性能.在這種情況下信號受外界的干擾會(huì )變小,從而有利于信號的發(fā)送和接收.同時(shí)SDMA技術(shù)可以不必對發(fā)送功率嚴格要求,從而使系統更容易實(shí)現但是在移動(dòng)臺高速運行時(shí),SDMA技術(shù)不能克服由于多普勒效應所造成的信道惡化的問(wèn)題.因此,它必須與其他一些抗干擾的數字處理技術(shù)如聯(lián)合檢測技術(shù),DSP基帶信號處理技術(shù),Rake接收技術(shù)等一起使用,才能達到最佳效果對于CDMA技術(shù)系統中的智能天線(xiàn)的研究已經(jīng)很多,其中將Rake接收機和智能天線(xiàn)結合在一起具有徐永剛,等:空分多址技術(shù)在煤礦通信中的應用前景很好的現實(shí)應用意義.發(fā)射機和接收機采用高精確度和高穩定度的時(shí)鐘頻率源,以保證頻率和相位的穩定性.但在實(shí)際應用中,存在許多事先無(wú)法估計的不確定因素,如收發(fā)時(shí)鐘不穩定、發(fā)射時(shí)刻不確定、信道傳輸時(shí)延及干擾等,尤其在移動(dòng)通信中,這些不確定因素都有隨機性,不能預先補償,只能通過(guò)同步系統消除.因此,在CDMA擴頻通信中,同步系統必不可少PN碼序列同步是擴頻系統特有的,也是擴頻技術(shù)中的難點(diǎn)CDMA系統要求接收機的本地偽隨機碼與接收到的PN碼在結構、頻率和相位上完全一致,否則就不能正常接收所發(fā)送的信息,接收到的只是一片噪聲.若實(shí)現了收發(fā)同步但不能保持同步,也無(wú)法準確可靠地獲取所發(fā)送的信息數據.因此,PN碼序列的同步是CDMA擴頻通信的關(guān)鍵技術(shù).不同的PN碼在一定的通信區域內是唯一的,同時(shí)接收端和發(fā)射端預知,并且分集技術(shù)、智能天線(xiàn)技術(shù)與Rake接收機相結合形成最佳波束.在CDMA系統中更易于實(shí)現SDMA,主要源于用戶(hù)的地址碼是信號容易分離的特點(diǎn)在多徑傳播和高斯白噪聲下,CDMA系統最佳接收機是Rake接收機、智能天線(xiàn)與Rake接收機相結合,形成了性能更優(yōu)的時(shí)域和空域信息聯(lián)合相關(guān)接收機,利用多徑到達基站的時(shí)刻不同和到達的角度不同,構成了空時(shí)匹配濾波器同時(shí)根據具體應用選擇不同的算法可以更好的解決設計中的問(wèn)題,實(shí)現空分多址技術(shù)的應用.4結語(yǔ)本文對空分多址技術(shù)進(jìn)行了具體的介紹和分析,同時(shí)考慮了其在煤礦井下無(wú)線(xiàn)通信系統中的應用及解決一些比較棘手的問(wèn)題.隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展,真正實(shí)現空分多址與其他多址技術(shù)的熟練應用,會(huì )為煤礦井下的通信質(zhì)量帶來(lái)巨大的改善和新的突破參考文獻[!]孫緒寶.無(wú)線(xiàn)通信智能天線(xiàn)算法的研究[D].上海:上海大學(xué),2005[2]張國印,高飛,基于智能天線(xiàn)的 TD-SCDMA系統上行容量分析[門(mén)].通信技術(shù),2008,41(2):117-19.[3]冉小英.礦井通信中單載波頻域均衡( SC-FDE)的應用研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008[4]路軍.CDMA移動(dòng)通信系統中智能天線(xiàn)技術(shù)應用的研究[D].北京:北方交通大學(xué),1998[5]李小強,胡健棟.未來(lái)移動(dòng)通信系統中的智能天線(xiàn)技術(shù)[J].移動(dòng)通信,1999,23(1):44-4′[6]錢(qián)月清. 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The wirelesscommunication technology is a quite difficult study in coal mine fields. In the coal mine, the multipath fa-ding phenomenon is severe. The SDMA can effectively improve and reduce this multipath fading phenomenon. Its application in underground mines will bring huge breakthrough to the quality improvement of fu-ture underground mine communication.Key words: space-division multiple-access; smart antenna; communication system; coal mine輯燕善俊55