Prog Electromagn Res C Pier C

Understanding wireless channels in complex mining environments is critical for designing optimized wireless systems operated in these environments. In this paper, we propose two physics-based, deterministic ultra-wideband (UWB) channel models for characterizing wireless channels in mining/tunnel environments - one in the time domain and the other in the frequency domain. For the time domain model, a general Channel Impulse Response (CIR) is derived and the result is expressed in the classic UWB tapped delay line model. The derived time domain channel model takes into account major propagation controlling factors including tunnel or entry dimensions, frequency, polarization, electrical properties of the four tunnel walls, and transmitter and receiver locations. For the frequency domain model, a complex channel transfer function is derived analytically. Based on the proposed physics-based deterministic channel models, channel parameters such as delay spread, multipath component number, and angular spread are analyzed. It is found that, despite the presence of heavy multipath, both channel delay spread and angular spread for tunnel environments are relatively smaller compared to that of typical indoor environments. The results and findings in this paper have application in the design and deployment of wireless systems in underground mining environments.CC999999/Intramural CDC HHS/United States2018-02-14T00:00:00Z29457801PMC5812029vault:2734

Ultra Wideband Noise Channel Measurement using a Vector Network Analyzer

In this paper, we analyze the measurement of ultra wideband (UWB) noise channels in different indoor environments. All measurements are done using a vector network analyzer (VNA) which allows us to measure the noise channel transfer functions. We find that the noise power of the system is decreased by increasing the intermediate frequency (IF) bandwidth which leads to an increase in time taken to perform measurements of the channels. Also, we measure the environmental noise power and find that it is slightly affected by fluorescent light sources inside the measurement environments. In addition, we find that the environmental noise is decreased when enclosed in a Faraday cage (steel shed), within an intense multipath measurement environment. As secondary application, we show how a frequency detection device can be used to re-adjust a maladjusted frequency selection on a remote controller for a garage door, in presence of environmental noise power

Étude d'un réseau de capteur UWB pour la localisation et la communication dans un environnement minier

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données

Measurement of Ultra Wideband Channel Sounding Using a Vector Network Analyzer

In this paper, we analyze the measurement of ultra wideband (UWB) noise channels in different indoor environments. All measurements are done using a vector network analyzer (VNA) which allows us to measure the noise channel transfer functions. We find that the noise power of the system is decreased by increasing the intermediate frequency (IF) bandwidth which leads to an increase in time taken to perform measurements of the channels. Also, we measure the environmental noise power and find that it is slightly affected by fluorescent light sources inside the measurement environments. In addition, we find that the environmental noise is decreased when enclosed in a Faraday cage (steel shed), within an intense multipath measurement environment. We found that, the Environmental noise decreases slightly by using the LPDA antenna compared to using the Teardrop and Horn antennas. Our results show that the Horn antenna is less suitable for UWB channel measurements compared to the LPDA directional antennas because of lower S11 (Return Loss) values. While foromnidirectional antennas, the Teardrop antenna is much more suitable than the monocone antennas for UWB measurements (due to lower S11 values) and decreases the Environmental noise power. As secondary application, we show how a frequency detection device can be used to re-adjust a maladjusted frequency selection on a remote controller for a garage door, in presence of environmental noise power

M-sequenze based ultra-wideband radar and its application to crack detection in salt mines

Die vorliegende Dissertation beschreibt einen innovativen ultra-breitband (UWB)elektromagnetischen Sensor basierend auf einem Pseudo-Rauschverfahren.Der Sensor wurde für zerstörungsfreies Testen in zivilen Anwendungen entwickelt.Zerstörungsfreies Testen entwickelt sich zu einem immer wichtiger werdenden Bereich in Forschung und Entwicklung. Neben unzähligen weiteren Anwendungen und Technologien, besteht ein primäres Aufgabenfeld in der Überwachung und Untersuchung von Bauwerken und Baumaterialien durch berührungslose Messung aus der Ferne.Diese Arbeit konzentriert sich auf das Beispiel der Auflockerungszone im Salzgestein.Der Hintergrund und die Notwendigkeit, den Zustand der oberflächennahen Salzschichten in Salzminen kennen zu müssen, werden beleuchtet und die Messaufgabe anhand einfacher theoretischer Überlegungen beschrieben. Daraus werden die Anforderungen für geeignete UWB Sensoren abgeleitet. Die wichtigsten Eigenschaften sind eine sehr hohe Messband breite sowie eine sehr saubere Systemimpulsantwort frei von systematischen Gerätefehlern. Beide Eigenschaften sind notwendig, um die schwachen Rückstreuungen der Auflockerungen trotz der unvermeidlichen starken Oberflächenreflexion detektieren zu können.Da systematische Fehler bei UWB Geräten technisch nicht von vorne herein komplett vermeidbar sind, muss der Sensor eine Gerätekalibrierung erlauben, um solche Fehler möglichst gut zu unterdrücken.Aufgrund der genannten Anforderungen und den Nebenbedingungen der Messumgebung unter Tage, wurde aus den verschiedenen UWB-Technologien ein Prinzip ausgewählt, welches pseudozufällige Maximalfolgen als Anregungssignal benutzt. Das M-Sequenzkonzept dient als Ausgangpunkt für zahlreiche Weiterentwicklungen. Ein neues Sendemodul erweitert dabei die Messbandbreite auf 12~GHz. Die äquivalente Abtastrate wird um den Faktor vier auf 36~GHz erhöht, ohne den geringen Abtastjitter des ursprünglichen Konzepts zu vergrössern.Weiterhin wird die Umsetzung eines Zweitormesskopfes zur Erfassung von S-Parametern sowie einer automatische Kalibriereinheit beschrieben. Etablierte Kalibrierverfahren aus dem Bereich der Netzwerkanalyse werden kurz rekapituliert und die Adaption des 8-Term Verfahrens mit unbekanntem Transmissionsnormal für das M-Sequenzsystem beschrieben. Dabei werden Kennwerte vorgeschlagen, die dem Bediener unter Tage einfach erlauben, die Kalibrierqualität einzuschätzen und Hinweise auf mögliche Gerätefehler oder andere Probleme zu bekommen. Die Kalibriergenauigkeit des neuen Sensors im Labor wird mit der eines Netzwerkanalysators verglichen. Beide Geräte erreichen eine störungsfreie Dynamik von mehr als 60~dB in den Systemimpulsantworten für Reflexion und Transmission.Der neu entwickelte UWB Sensor wurde in zahlreichen Messungen in Salzminen in Deutschland getestet. Zwei Messbeispiele werden vorgestellt - ein sehr alter, kreisrunder Tunnel sowie ein ovaler Tunnelstumpf, welcher kurz vor den Messungen erst aufgefahren wurde. Messaufbauten und Datenverarbeitung werden beschrieben. Schließlich werden Schlussfolgerungen und Vorschläge für zukünftige Arbeiten mit dem neuen M-Sequenzsensor sowie der Messung von Auflockerungen im Salzgestein diskutiert.This dissertation describes an innovative ultra-wideband (UWB) electromagnetic sensor device based on a pseudo-noise principle developed in the context of non-destructive testing in civil engineering.Non-destructive testing is becoming a more and more important fieldfor researchers and engineers alike. Besides the vast field of possibleapplications and testing technologies, a prime and therefore typical topic is the inspection and monitoringof constructions and materials by means of contactless remote sensing techniques.This work focuses on one example the assessment of the disaggregation zone in salt rock tunnels.The background and relevance of knowing the state of salt rock layers near a tunnel's surface are explainedand simple theoretical considerations for requirements of suitable UWB sensor devices are shown. The most important sensor parameters are a very large measurement bandwidth and a very clean impulse response. The latterparameter translates into the mandatory application of calibration techniques to remove systematic errors of the sensor system itself. This enables detection of weak scattering responses from near-surface disaggregation despite the presence of a strong surface reflection.According to the mentioned requirements and other side conditions in salt mine environments an UWB sensor principlebased on pseudo-noise stimuli namely M-Sequences is selected as a starting point for system development. A newtransmitter frontend for extending the stimulus bandwidth up to 12~GHz is presented. Furthermore, a technique for increasing the (equivalent) sampling rate while keeping the stable and low-jitter sampling regime of the M-Sequencesapproach is introduced and its implementation is shown. Moreover, an automatic calibration unit for full two-port coaxial calibration of the new UWB sensor has been developed. Common calibration techniques from the area of vector network analysers are shortly reviewed and a reasonablealgorithm the 8-term method with an unknown line standard - is selected for the M-Sequences device. The 8-term method is defined in the frequency domain and is adapted for use with time domain devices. Some performance figures and comparisonwith calibration results from network analysers are discussed to show the effectiveness of the calibration.A spurious-free dynamic range of the time domain impulse responses in excess of 60~dB has been achieved for reflection as well as transmission measurements.The new UWB sensor was used in various real world measurements in different salt mines throughout Germany. Two measurementexamples are described and results from the disaggregation zone of a very old and a freshly cut tunnel will be presented. Measurement setup and data processing are discussed and finally some conclusions for future work on this topic are drawn

Cooperative Localization in Mines Using Fingerprinting and Neural Networks

This work is a special investigation in the localization of users in underground and confined areas such as gold mines. It sheds light on the basic approaches that are used nowadays to estimate the position and track users using wireless technology. Localization or Geo-location in confined and underground areas is one of the topics under research in mining labs and industries. The position of personnel and equipments in areas such as mines is of high importance because it improves industrial safety and security. Due to the special nature of underground environments, signals transmitted in a mine gallery suffer severe multipath effects caused by reflection, refraction, diffraction and collision with humid rough surfaces. In such cases and in cases where the signals are blocked due to the non-line of sight (NLOS) regions, traditional localization techniques based on the RSS, AOA and TOA/TDOA lead to high position estimation errors. One of the proposed solutions to such challenging situations is based on extracting the channel impulse response fingerprints with reference to one wireless receiver and using an artificial neural network as the matching algorithm. In this work we study this approach in a multiple access network where multiple access points are present. The diversity of the collected fingerprints allows us to create artificial neural networks that work separately or cooperatively using the same localization technique. In this approach, the received signals by the mobile at various distances are analysed and several components of each signal are extracted accordingly. The channel impulse response found at each position is unique to the position of the receiver. The parameters extracted from the CIR are the received signal strength, mean excess delay, root mean square, maximum excess delay, the number of multipath components, the total power of the received signal, the power of the first arrival and the delay of the first arrival. The use of multiple fingerprints from multiple references not only adds diversity to the set of inputs fed to the neural network but it also enhances the overall concept and makes it applicable in a multi-access environment. Localization is analyzed in the presence of two receivers using several position estimation procedures. The results showed that using two CIRs in a cooperative localization technique gives a position accuracy less than or equal to 1m for 90% of both trained and untrained neural networks. Another way of using cooperative intelligence is by using the time domain including tracking, probabilities and previous positions to the localization system. Estimating new positions based on previous positions recorded in history has a great improvement factor on the accuracy of the localization system where it showed an estimation error of less than 50cm for 90% of training data and 65cm for testing data. The details of those techniques and the estimation errors and graphs are fully presented and they show that using cooperative artificial intelligence in the presence of multiple signatures from different reference points as well as using tracking improves significantly the accuracy, precision, scalability and the overall performance of the localization system

Signals in the Soil: An Introduction to Wireless Underground Communications

In this chapter, wireless underground (UG) communications are introduced. A detailed overview of WUC is given. A comprehensive review of research challenges in WUC is presented. The evolution of underground wireless is also discussed. Moreover, different component of UG communications is wireless. The WUC system architecture is explained with a detailed discussion of the anatomy of an underground mote. The examples of UG wireless communication systems are explored. Furthermore, the differences of UG wireless and over-the-air wireless are debated. Different types of wireless underground channel (e.g., In-Soil, Soil-to-Air, and Air-to-Soil) are reported as well

Étude et positionnement utilisant le réseau de capteur sans fil dans un environnement minier souterrain

La sécurité et la communication posent des problèmes majeurs auxquels il faut remédier dans les environnements hostiles comme les mines souterraines. Pour une communication fiable ainsi que pour tracer la position exacte d’un objet dans les mines souterraines, différentes technologies ont été déployé. Parmi ces dernières, le réseau de capteurs sans fil est considéré comme un outil prometteur pour les applications basées sur la localisation, à savoir, la surveillance des lieux, le repérage des mobiles et la navigation. En fait, les réseaux de capteur sans-fil fournissent une couverture d’une vaste gamme d’équipements fiables, efficaces, tolérants aux défaillances et évolutives. Cependant, les travaux de recherches précédents ont divisé la localisation en deux parties: les méthodes basées sur la portée et celles non-basées sur la portée. Où la première est précise et coûteuse tandis que la deuxième est présentée pour réduire la quantité d’énergie consommée du côté capteur dont les ressources sont limitées. Notre recherche se focalise sur la localisation basée sur la portée utilisant le réseau de capteurs sans fil dans les milieux internes et mines souterrains. Plusieurs techniques ont été proposées pour la localisation comme la réception de l'indicateur de force de signal (RSSI), le temps d'arrivée (TOA), la différence de temps d'arrivée (TDOA), l'angle d'arrivée (AOA). Bien que plusieurs travaux de recherches utilisant ces techniques aient été exécutés, l'approche de localisation à base de temps pour les environnements complexe comme la mine souterraine demeure limitée. Cette thèse offre de nouvelles solutions pour combler l’écart entre la localisation à base de temps et le réseau de capteurs sans fil à haute précision, pour l’environnement minier souterrain. De plus, nous avons utilisé une technologie émergente, à savoir les communications ultra-large bande, pour booster la performance et l'exactitude. Notre travail de recherche est subdivisé en deux principales parties : une partie simulation et une partie pratique. Dans la première, nous avons utilisé MATLAB pour faire les différentes simulations. La deuxième partie consiste en plusieurs mesures pratiques réalisées dans un environnement intérieur ainsi que dans une mine souterraine. Les résultats montrent une amélioration remarquable et une meilleure précision de la technique UWB à base de temps

Caractérisation d'un canal ultra large bande (UWB) en milieu confiné souterrain

Le milieu minier, très complexe par sa nature, a besoin d'un système de communication fiable. Déployer un système fiable dans ce type de milieu, nécessite la connaissance parfaite du milieu de propagation. Notre projet d'étude porte donc sur la caractérisation d'un canal ultra large bande (UWB) en milieu confiné souterrain. Notre étude s'est focalisée sur la propagation des signaux ultra large bande dans le canal minier à différents niveaux. Il a consisté à déterminer ses paramètres à grande et petite échelle à différents niveaux dans la mine et à les comparer. Un autre élément fort important dans la conception d'un système de communication est sa capacité. Elle permet de déterminer les applications pouvant transiter sur le réseau. Nous avons dans un premier temps établi le protocole expérimental devant être utilisé pour des campagnes de mesures. Ensuite, les réponses fréquentielles du canal UWB (3 à 10 GHz) ont été mesurées. Nous avons grâce à la transformée inverse de Fourrier déterminé les réponses impulsionnelles. Nous avons, à deux niveaux de la mine (niveau 40 et niveau 70), déterminé les caractéristiques du canal UWB à savoir son amplitude, les paramètres de dispersion temporelle à différents niveaux de la mine et à différentes configurations (visibilité directe et non-visibilité directe) et la capacité. L'analyse des résultats obtenus montre que l'indice de pertes de propagation est proche de celui de l'espace libre en visibilité directe et varie fortement en cas de visibilité obstruée. Le système avec une antenne directive en réception donne de meilleurs résultats. La capacité du canal obtenue est assez importante pour permettre le déploiement des applications haut débit. En comparant les résultats obtenus, on constate que la majorité des paramètres du canal ne dépendent pas de la géométrie de la galerie souterraine. The mining environment, very complex by nature, needs a reliable communication system. Deploying a reliable system in this type of environment requires a perfect knowledge of the propagation channel. Our research project therefore focuses on the characterization of UWB propagation channel in an underground mine. Our study focused on the propagation channel of ultra wideband signals in the mine at different levels. It was to determine the parameters of large and small scale at various levels in the mine and then compare them. Another very important element in design of a communication system is the channel capacity that we have also calculated and compared. It identifies applications that can pass over the network. We initially established the experimental protocol to be used for measurement campaigns. Then the frequency responses of the UWB channel (3-10 GHz) were measured. The channel impulse responses were computed using the IFFT transform. We have, at two levels of the mine (Level 40 and Level 70), determined the characteristics of the UWB channel: its pathloss, the temporal dispersion parameters at different levels of the mine and at different configurations (line of sight and non line of sight) and capacity. Analysis of the results obtained show that the path loss exponent is close to free space in line of sight, and varies greatly in the case of non line of sight. The system with directional antenna at reception gives better results. The channel capacity obtained is large enough to allow the deployment of broadband applications. By comparing the results obtained, we found that the majority of the channel parameters does not depend on the geometry of the underground gallery