TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7299  ~ 730 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.532 3          7299     Re cei v ed  De cem ber 9, 20 13; Re vised  A ugust 1, 20 14; Accepted  August 12, 2 014   2.4 GHz Radio Wave P r opagation Characteristics in  Coal Mine Workface Tunnels      Duan Zh ao* 1 , Enjie Ding 2 Xin Wang 2   1 School of Infor m ation a nd El e c tronic Eng i ne erin g,  Chin a U n iversit y  of Min i ng a nd T e chn o lo g y   Xuz h o u , 221 00 8, Jiang Su, C h in a   2 Io T  Perceptio n Mine R e sear ch Center, Ch i na Un iversit y  o f  Mining a nd T e chn o lo g y ,   Xuz h o u , 221 00 8, Jiang Su, C h in a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : zhaod ua n10 27@ 163. com, enji e d @ cumt.e du.cn,  54 520 0 081 @qq.com       A b st r a ct  W e  propos ed  a nove l  ray-tr acin g bas ed r adi o w a ves pr opa gati on (RT R W P ) Law  suitable for   und er-tun nel c o mpl e x coal  mine w o rkface. T he ener gy  co nsu m pti o n   mo del   eva l u a tion  in  c o mpl e c o al   mi ne  w o rkface  is d e rive d. T h e o retica l a n a l ysi s ab out c a lcu l a t ing th multip l e  refl ectio n s of  the r a d i o w a v e s   in coa l   min e  w o rkface is a l so  provi ded. C o mputer si mu lati o n s an d fiel d tests in w o rkface tunn els sh ow  that  this prop ose d  RTRWP law can w o rk effectively to  d e scrib e the a c tual rad i o w a ve pro p a gati on  envir on me nts in compl e x coal  min e  w o rkface   Ke y w ords coal  mi ne w o r k face, Ray-tra c ing b a se d ra dio w a ves pr o pag atio n (RT R W P ) law ,  multi - path  mo de l, ener gy loss     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1  Introduc tion   In rece nt years, with the d e velopme n t of  wirele ss  co mmuni cation  techn o logy, more an more  wirel e ss devices a r e applied fo r automat i c  monitori ng in  coal mine.  However, the  prop agatio n cha r a c teri stics of the radi o wave s in  coal mine tun nels, e s pe cia lly in coal mine  workfa ce tu n nels,  are  different f r om  th em in f r ee  sp ace. Be ca use the  co al mi ne  workfa ce i s  a   limited confin ed sp ace of heterog eneity, whe n  tran smi tting in such environ ment, the radio  wav e have se riou attenuation a nd com p lex p r opa gation. T herefo r e, re searchin g t he cha r a c teri stics of  radio   waves i s  h e lpful t o  p r ovide  a  better  use of  wi reless  co mmu nicatio n s eq u i pments in  co al  mine work face.   Y.P.Zhang [1 ] and  Guo r ui   Han  [2]   provi ded th eoretical mo del  and  expe riment  result s of  radio  wave p r opa gation in  coal min e  tu nnel s re sp ect i vely. Kermani, M.H. also  gives the UHF   sign als’ p r op agation cha r a c teri stics in coal mine tun nels   [3]. However, these studies a r e ba sed   on 90 0MHz freque ncy b a n d  and th e co nclu sio n do n’t become a  unified the o ry, there is  stil l no  resea r ch on   highe r fre que ncy radio  wa ves (fo r  exa m ple, commo n u s ed  2.4G Hz ra dio  wav e s)  prop agatio n in coal mine  workface tunnel s. So, we prop osed RTRWP (Ra y -Tra cing b a s ed   Radi o Waves Propa gation )  Law  ba sed  o n  ray tra c in method to  give a theo retica l explanatio o f   the wirele ss  cha nnel s in  coal mi ne workfa ce tu nn els. In additi on, this pa pe r gives th e d e tail  comp uting m e thod of energy loss a c cording to  RTRWP Law. Simulation re su lts sho w  that the   energy loss calcul ated by this metho d  is sim ilar to the experime n t result s and  RTRWP La w is   well ap plied for re se archin g the radio  wave prop agati on ch ara c te ri stics in co al mine wo rkface.      2   Ra y -tracing  Bas e d Ra dio  Wav es Propagation  (RT R WP ) La w   There are lot s  of hydrauli c  s upp orts i n  the co al min e  wo rkfa ce,  whi c con s i s t of four  wall s, thre es  are m e tal b a ffle plates an d the re si dua l one i s  the  coal wall. The  pro pag ation  of   wirel e ss radi o wave s in such  spe c ial  ci rcu m sta n ces  is different from the gene ral free sp ace. As   is sho w n in F i gure  1, the l e ft side i s  co al wall, the to p and  bottom  side s a r st eel baffle pl ates  and i n  the  mi ddle i s   hydra u lic  su ppo rts.  As th exi s tence of  the  hydrauli c   su p ports,  the  ra dio  rays h a ve en ergy which h a ve ene rgy lo ss i n  the  scattering p r o c e s s could  not transmit fo r a l ong   distan ce.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  729 9  – 7303   7300     (, ) nn x y 11 (, ) nn x y  n d 1 n d 00 (, ) x y 00 (, ) x y 00 (2 , ) ax y   Figure 1. Sch e matic Di ag ram of the Co al Mine  Wo rkfa ce   Figure 2. Vertical Inci dent  Plane Prop ag ating  in Coal Mine Work fac e       CFRWP L a w reveal s the  radio  wave prop agatio n i n  co al mine  workfa ce, an d also  gives the jud g ment metho d  that whethe r the radi o ra y can tran smi t  cro ss all hy drauli c  supp o r ts  to the destina tion point.   Figure 2 i s  th e platform  of the ro of in coa l  mine workfa ce is th e width of the co al mine  work fac e k  i s  the di stan ce between th e two  sup port s is  the se nding point,  D  is the recei v ing   point,  S 1  is the mirror poi nt in the first reflection a nd  S 2   is the mirror p o int  in the seco nd   reflectio n . Th e judgme n t method is  sho w n as follo w:  a)  Acco rdi ng to the cha r a c teristic of ar ith m etic pro g re ssi on (the di stan ce betwe en of  hydrauli c   su p ports is eq ua l), get the  a b scissa  of th n  hydra u lic  su ppo rt’s ci rcle  cente r   1 0 2 0 () ( 1 ) n n x nd n k yy                                             (1)     b)  Gives the eq uation of  S 1 is  y-K ( x+ x s ) +y s =0,   K  is the  slope of  S 1 D  (| K | is relevant to   the numbe r o f  times of reflection ).   c)  Find out th cro s s-point of   S 1 and li ne   y= y 0 , whose  coo r din a te is '' (, ) nn x y  located  betwe en  n  a nd  n+1  hydraulic  sup port ;   ' (/ ( ) ) n n ceil x d k  ceil   is a function   mean s to take the smalle st integer whi c h is not less than the ind e p ende nt variab le.   d)  Cal c ulate th e  distan ce  d n  and  d n+1  which  are  the  distan ce  be tween  n  a nd  n+1   hydrauli c  sup ports’  circle  center an d ray   S 1 D  .    00 2 |( ) | 1 nn n yK x x y d K                                       (2)    If  d n >d 0  a nd  d n+1 >d 0 , ray   S 1 D  can  g o  thro ugh  h y drauli c   sup port  n  bet ween  n+ 1 otherwise, the vertical inci dence plane  will be hindered by  the hydrauli c  support s.       3.  Multi-path Loss Mode l Based on  CFRWP La w  i n  Coal Mine  Work -face   The CF RWP Law i s  helpfu l  to find all the pat hs th at the ra dio ray s  prop agate  cross all  hydrauli c   sup ports from th e tran smitter  to the re ceiv er. That m e a n CF RWP  L a w i s  u s eful  to  resea r ch the  multi-path lo ss of the ra dio  waves i n  co al mine workf a ce. So, we prop ose deta i comp uting m e thod of multi-path en er gy loss acco rdin g to RTRWP Law.   Since, we  kn ow that the p o we r of re cei v i ng point in the dire ct line  of sight is:     2 22 (4 ) tt r r PG G P dL           ( 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     2.4 GHz Ra di o Wa ve Pro p agation  Cha r acteri stics  in  Coal Min e  Workfa ce T unn els (Dua n Zh ao)  7301 P t G t G r  , are  the tra n smit  power, tran smit  gain, re ce ive  gain and  wavele ngth;  d  an are the  path l ength a nd  system lo sses  (usu ally  the value i s  1). If the ra dio  wav e s reflect  times  in the transmi ssi on path, th e receive po wer  can b e  calcul ated by the Equation  (4).     2 2 22 (4 ) tt r rk k PG G P dL          ( 4 )     k  is  decay fac t or  after  reflec ted  k  time s which i s  related  with reflectivity and the   numbe r of ref l ection s.   In coal mi ne  workfa ce, the  roof an d the  bottom is m e tal, while  one  side i s   coal  wall and   the othe r thre e sid e are m e tal baffles  a nd they of  diff erent  refle c tivity. So, how can we calcula t e   the po we r o f  receiving p o int after th e ra dio  wav e  refle c ted  k  times in t h is  com p licated  transmissio n environ ment?  We give the method a s  follow.   First, cal c ul ate decay facto r k .   The follo win g  analy s is is a bout the  con d ition that th ere i s   m +0 reflec tive rays or   m+n   reflective heli c al curve s  in the tran smi ssi on acco rdin g to the RTRWP Law.  If the firs t reflec tion  on the  metal baffle, the  number of  reflec tions  on metal baffle is   m /2  ( m  is even n u mbe r)  or  ( m +1)/ 2  ( m  is o dd num be r),  while th e nu mber  of refle c tion s on  co a l  wall   is  m /2 ( m  is e v en numbe r)  or ( m -1)/ 2 ( m  is odd n u mbe r). The n  cal c u l ation method  of  k  is   22 12 11 22 12 mm n k mm n RR RR           ( 5 )     is the refle c ti vity of coal mine wo rkface R 1  is the  ref l ectivity of the metal baffle on the   side wall R is the reflecti vity of the metal baffle on  the roof a n d  bottom,  m  is the numb e of  ref l ect i o n in side wall s,   n  is the numb e of reflection betwe en ro of and bottom.    If the first refl ection  on  coa l  wall, the n u m ber  of refle c tions o n  coal  wall i s   m /2 ( m  is even  numbe r) or ( m +1)/ 2 ( m  is  odd n u mb er), while  the  nu mber of refle c tion s on  coa l  wall i s   m /2 ( m  is   even numb e r) or ( m -1 )/2 ( m  is odd num ber). Then  ca lculatio n method of  k  is   22 12 11 22 12 mm n k mm n RR RR           ( 6 )     is the refle c ti vity of coal mine wo rkface R 1  is the  ref l ectivity of the metal baffle on the   side wall,  R 2   is the reflecti vity of the metal baffle on  the roof a n d  bottom,  is the numb e of  ref l ect i o n in side wall s,   n  is the numb e of reflection betwe en ro of and bottom.    If the elec tric field  E i  in  the in cid ent  plane,  we  ca ll it hori z o n ta l inci dent  or  vertical  polari z atio n; i f  the ele c tri c   field  E i  pe rpe ndicular to th e in cide nce   plane,  we  cal l  it the verti c al  incid ent or ho rizo ntal pola r i z ation. So, we can g e the reflectio n  co e fficient of the vertical in cide nt  wave (3 ) an d hori z ontal in ci dent wave (4) from the air to the medium  [1, 2].    2 2 co s s i n co s s i n ri r i r i ri r i E E              ( 3 )     2 2 cos s i n cos s i n ir i r p i ir i E E              ( 4 )     r is  the relative dielec tric   cons tant,  i is i n cide nce a ngl e. For the  ro ugh  refle c tor,  the  reflectio n  co e fficient need t o  be co rrecte by multiplying the scattering co efficient   s  [9]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  729 9  – 7303   7302 22 0 cos c os [8 ( ) ] [ 8 ( ) ] hi h i s exp I           ( 5 )     Secon d , cal c ulate the tran smissio n  dist ance  L .   Acco rdi ng to Fermat' s  pri n ciple, the 3-di m ensi onal tra n smi ssi on pat h of the radio  waves  can   be map ped  in   two  2-dim e n s ion plane (verti ca lly incid ent  plane  and  h o rizontal i n ci dent  p l a n e ) ,  as  is   s h ow n in   F i gu r e  3 .  T hen  the tran smissi on di stan ce   L  ca n b e   cal c ul ated  re spe c ti vely  by the classi cal image met hod in the two incid ent pla nes.             Figure 3. Pro pagatio n Paths in Inci dent  Plane  Fi gure 4. Cal c ulatio n of Propag ation Di stance       Third, we the received po wer ca n be cal c ulate d  by formula (4 ) wh e n  get  L  and  k     4. Simulations and Expe riment  In orde r to simulate the multi-path lo ss of 2.4G Hz ra dio wave s, we me asu r ed the   corre s p ondin g  pa ram e ters in  coal  mine  wo rkfa ce  (Ji ahe  Coal  Min e , Xuzh ou,  China),  whi c h   are  s h ow n  as  fo llo w   01 5.13 , 0 .5 , 1 , 3 .2 r am d m u v    2 2.4 , 2.4 , 0.15 r fG H z e    26 12 1.62578 *10 , 7 .7 *10       In ord e r to  confirm the  th eoreti c al m o del, we  also  have carried  on the  scene  test in  Jiah e coal mi ne wo rkfa ce,  usin g 2.4G Hz WIFI A cce ss Point whose emissive po wer is 0d bm an receive thre shold is -90d b m     Figure 5. Experime n t Re su lts and Simul a tion Re sult 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 - 100 -9 5 -9 0 -8 5 -8 0 -7 5 -7 0 -6 5 -6 0 D i r e c t i o n of  P r opagat i o n z RS S I / dbm  db m Si m u l a ti o n  R e s u l t E x per i m ent  D a t a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     2.4 GHz Ra di o Wa ve Pro p agation  Cha r acteri stics  in  Coal Min e  Workfa ce T unn els (Dua n Zh ao)  7303 Table 1. Re ceived Powe and Received  Packet s  Rate in Coal Min e  Wo rkfa ce   Distance/m  2 3  9 15  20  25  30  35  45  RSSI  /dbm   -64   -75   -83  -75  -83  -82   -90   -91   -92   -93   -94   Packets received  rates %   100  100  99.4  99.8  97.2  95.4  79  16.8  45.2  44.8  10.8      Acco rdi ng to  experim ent result, the effe ctive  tran smit ting ran ge in  coal fa ce i s  a bout 20  meters; Re ce ived sig nal in tensity and  p a ckets  re ceiv ed rates  are  sho w n i n  Ta ble 1. Fig u re  5  sho w s the rel a tionship bet wee n  the the o retical cal c ul ation re sult a nd the actu al survey result.       5. Conclusio n   Based  on  th e an alysis of  pro p o s ed  CFRWP La w,  2.4GHz  radi o  wave s tran smissi on   multi-path  attenuatio cha r acteri stic in  coal min e   wo rkface i s   studi ed. By the  co mpari s o n  of t he  simulatio n   re sult a nd th e a c tual  experi m ent data,  it  ca n be  con c lud ed that th e th eoreti c al  mod e is ba sically consi s tent wit h  the  actual  measurement  results. So, this the s is off e rs  a method  for   wirel e ss tra n smi ssi on  rese arch in  workfa ce, a nd the resu lts are  help f ul for wi rel e ss   comm uni cati on in  work face.       Referen ces   [1]  W u  Jianfe ng.  A T w o-Dim ens ion  Ra y-T r acin g Mod e for M i crocel lu ar W a ve Prop ag atio n Pred ictio n .   Journ a l of Na nj ing U n ivers i ty  of Posts and T e lec o mmun icat ions . 20 01; 16( 2): 45-51   [2] Ji  Z hong Li Bi nho ng W a n g  Hao x i ng. Pre d i c tion of pro p a g a ting from o u td oor to in do or si tes b y   usin g   ra y - trac in g method. . Journ a l o f  China Instit ut e of Co mmun ic ations . 20 01; 2 2 (3): 114- 11 9.  [3] Guo  T i y u n Ya ng J i a w e i Li  J i an don g. D i gita l Mo bil e  C o m m unic a tions  [M].  Beij in Post s & T e lecom   Press. 2001: 1 4 -21.   [4]  Hah e mi H, T holl D. Statistic a l mod e l i ng  a nd si mu lati on  of the RMS d e la y s p rea d  of  ind oor ra di o   prop agati on ch ann els.  Vehicular Technology, IEEE.  1994; 43: 110-1 20.   [5]  McDinn e ll  JT E, Spill er T P W ilinso n T A . RMS de la s p read in do or  L O enviro n me nts at 5.2GHz.   Electron ics Let ters . 1998; 34( 11): 114 9-1 150 [6]  Kermani MH, K a marei.  A ray-t r acin meth od   for pre d ictin g   d e lay  spre ad  in  tunn el  env iron me nts.  IEEE,   Person al W i rel e ss Commu nic a tions. 20 00: 5 38-5 42.   [7]  Morrison, Gera ld Dal e . Measu r ement, charac teri zatio n , and  mode lin g of the ind oor rad i prop agati o n   chan nel [M]. Cana da: Un ivers i t y  of Cal gar y.  200 1.  [8]  Varel a  MS, S anch e z MG. RMS de la a nd co her ence  ban d w i d th m easur ements  i n  in do or ra dio   chan nels i n  the  UHF  band.  Vehicular Technology, IEEE.  200 1; 50(2): 51 5-5 25.   [9]  Youn gmo on K i m, Minse o k J ung, B o mson.  Anal ys is  of r adi w a ve  pro pag atio n ch aracteristics i n   rectang ular r o ad tun nel at 8 00MHz a nd 2. 4GHz.  Antennas and Pr opa gation Society International  Sym p osium ,  IEEE.  2003; 3:.1 016- 101 9.   [10]  Enji e Din g, Du an Z hao. Res ear ch o n  the radi w a ves pr opa gati on in c o mpl e x coal m i ne  w o rkfac e .   Intelli gent Auto mati on a nd Sof t  Comp utin g . 2011; 8: 11 13-1 123.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.