En håndradio, der uden problemer kommunikerer over flere kilometer i åbent terræn, kan få det svært efter ganske få sving i en minegang.

Under jorden møder radiosignalet et miljø, der næsten er skabt til at gøre radiokommunikation vanskelig: massiv klippe, tunneler, skarpe sving, sidegange, maskiner, stålkonstruktioner og store variationer i geologien.

Alligevel er pålidelig kommunikation afgørende i miner og andre underjordiske anlæg.

Løsningen er ikke én særlig “mineradio”. I stedet kombineres forskellige radioteknologier, hvor hver udnytter undergrunden på sin egen måde.

Og nogle af løsningerne vender næsten almindelig radiotænkning på hovedet.

Hvorfor er radiokommunikation vanskelig under jorden?

På jordoverfladen kan et radiosignal udbrede sig gennem luften mellem sender og modtager.

Under jorden er geometrien helt anderledes.

En mine består af lange gange, sidegange, skakter og arbejdsområder omgivet af store mængder sten. Et radiosignal kan følge en tunnel et stykke, men når signalet skal gennem massiv klippe eller omkring flere skarpe sving, kan dæmpningen blive voldsom.

Derudover kan maskiner og elektriske installationer skabe elektromagnetisk støj, mens metalstrukturer både kan reflektere og påvirke signalerne.

En tunnel kan både være en fjende og en ven

Det interessante er, at en minegang ikke altid kun dæmper radiosignalet.

En lang tunnel kan under visse forhold opføre sig lidt som en bølgeleder, hvor elektromagnetisk energi kan udbrede sig langs gangen.

Det betyder, at en UHF-radio kan have overraskende god rækkevidde langs en forholdsvis lige tunnel, mens forbindelsen hurtigt forringes, når en person bevæger sig ind bag et hjørne eller ind i en sidegang.

Tunnelens dimensioner, frekvensen, overfladerne og antennernes placering har betydning for resultatet.

En almindelig håndradio har begrænset rækkevidde

VHF- og UHF-radioer er attraktive i miner, fordi håndradioerne kan være små, robuste og batteridrevne og samtidig give god talekvalitet.

Problemet er rækkevidden.

To minearbejdere i samme tunnel kan måske kommunikere direkte. Befinder de sig i forskellige dele af et omfattende tunnelsystem, er situationen en helt anden.

Derfor må radiosystemets infrastruktur bringes tættere på brugerne.

En af de mest interessante måder at gøre det på er med et kabel, der med vilje ikke er perfekt afskærmet.

Leaky feeder – et koaksialkabel, der skal lække

I et almindeligt koaksialkabel forsøger konstruktøren at holde RF-signalet inde i kablet.

Skærmen skal forhindre signalet i at stråle ud og samtidig beskytte det mod uønskede signaler udefra.

Et leaky feeder-kabel er konstrueret anderledes.

Her har den ydre leder kontrollerede åbninger, så radiofrekvent energi kan kobles mellem kablet og omgivelserne langs hele kabelstrækningen.

Kablet fungerer dermed både som transmissionslinje og som en meget lang distribueret antenne.

Forestil dig en antenne gennem hele minen

Et leaky feeder-kabel kan føres langs minegangene.

Når en minearbejder sender med sin håndradio tæt på kablet, opfanger kablet radiosignalet. Signalet transporteres gennem kabelsystemet og kan igen kobles ud længere væk.

På den måde behøver håndradioens signal ikke selv at bevæge sig gennem kilometer af tunneler.

Radioen skal primært kunne nå frem til det nærliggende leaky feeder-kabel.

Systemet bringer så radiosignalet videre.

Men kablet har også tab

Et leaky feeder-system kan ikke fortsætte uendeligt uden hjælp.

Der er almindeligt kabeltab, og samtidig afgives en del af RF-energien løbende til omgivelserne.

Derfor placeres forstærkere med mellemrum langs systemet.

Disse kompenserer for tabene og gør det muligt at opbygge et omfattende kommunikationsnet gennem mange kilometer minegange.

Systemet kan desuden opdeles med splittere og forgreninger, så radiodækningen følger minens struktur.

VHF eller UHF?

Leaky feeder-systemer er blandt andet blevet anvendt omkring VHF ved cirka 150 MHz og UHF omkring 450 MHz.

Begge frekvensområder kan anvendes til talekommunikation, men deres egenskaber under jorden er forskellige.

VHF kan blandt andet have lavere dæmpning i selve kabelsystemet, mens UHF kan give større tilgængelig båndbredde og under visse tunnelgeometrier bedre dækning ind i sidegange.

Valget er derfor et kompromis mellem blandt andet kabeltab, tunnelgeometri, dækningskrav, kapacitet og den øvrige installation.

Repeatere kan forlænge rækkevidden

Repeatere er et andet velkendt værktøj.

En repeater modtager et radiosignal og sender det videre, typisk på en anden frekvens.

Ved strategisk placering kan repeatere forbinde områder, hvor håndradioer ikke kan nå hinanden direkte.

Princippet er præcis det samme, som anvendes i mange radiosystemer over jorden.

Under jorden bliver placeringen blot endnu mere kritisk, fordi klippe og tunnelgeometri bestemmer, hvor signalerne kan bevæge sig.

Meshnetværk – radiosignalet finder vej fra node til node

En anden mulighed er et meshnetværk.

I stedet for at alle brugere skal kunne nå én central basestation, består systemet af en række noder, som kan kommunikere med hinanden.

Hvis node A ikke kan nå node D direkte, kan informationen eksempelvis bevæge sig:

A → B → C → D

Hver node bliver dermed en del af kommunikationsvejen.

UHF-mesh udnytter tunnelerne

UHF-baserede meshnetværk kan udnytte den bølgelederlignende udbredelse langs minegangene.

Noder placeres rundt omkring i tunnelsystemet og videresender information mellem hinanden.

Det kan give mulighed for mere end almindelig talekommunikation.

Digitale systemer kan eksempelvis overføre tekstbeskeder, data og information til positionsbestemmelse.

Til gengæld er systemet afhængigt af, at der findes en fungerende kæde af noder mellem brugeren og destinationen.

MF – når metallet i minen bliver en del af radiosystemet

Ved lavere frekvenser opstår en helt anden mulighed.

Systemer i MF-området – Medium Frequency – kan udnytte elektromagnetisk kobling til lange metalliske strukturer i minen.

Det kan være skinner, kabler, rør eller andre ledende installationer.

Radiosignalet kan koble sig til disse strukturer og følge dem over betydelige afstande.

MF-systemer har typisk mindre båndbredde end UHF-baserede systemer.

Til gengæld kan de lange metalliske strukturer i en mine give interessante udbredelsesmuligheder, og dele af infrastrukturen kan i visse situationer overleve hændelser, der ødelægger andre kommunikationsveje.

Og så kommer den ekstreme løsning: gennem selve jorden

Hvad hvis kabler er ødelagt, repeatere er uden strøm, og der ikke længere findes en fungerende kæde af radionoder?

Kan man sende et signal direkte gennem hundredvis af meter jord og klippe?

Under bestemte forhold er svaret ja.

Teknologien kaldes Through-the-Earth – TTE.

Når 450 MHz ikke virker – gå ned til kilohertz

Ved almindelige kommunikationsfrekvenser dæmpes elektromagnetiske signaler meget kraftigt i jord og klippe.

Men når frekvensen bliver meget lav, ændrer forholdene sig.

Ved frekvenser under cirka 10 kHz kan elektromagnetiske signaler under egnede geologiske forhold trænge betydelige afstande gennem jorden.

Det gør direkte kommunikation mellem undergrunden og overfladen mulig uden et kabelnet mellem de to punkter.

Hvorfor bruger vi så ikke bare meget lave frekvenser hele tiden?

Fordi der følger store ulemper med.

Ved meget lave frekvenser bliver effektive antenner vanskelige at gøre små. Den tilgængelige båndbredde er begrænset, og dermed bliver mulighederne for hurtig dataoverførsel også begrænsede.

Derudover kan elektrisk støj være et problem.

TTE er derfor ikke en erstatning for det almindelige kommunikationsnet i en mine.

Det er snarere en specialiseret kommunikationsvej, som kan have særlig værdi i nødsituationer.

De forskellige teknologier løser forskellige problemer

En mineulykke ændrer hele situationen

Under normal drift kan et kommunikationssystem fungere perfekt.

Men kommunikation er måske allervigtigst netop i det øjeblik, hvor de normale forhold forsvinder.

En eksplosion, brand eller sammenstyrtning kan beskadige kabler, afbryde strømforsyningen og ødelægge radionoder.

Et kommunikationssystem til underjordisk brug skal derfor ikke kun vurderes på, hvor godt det fungerer på en almindelig arbejdsdag.

Man må også spørge:

Hvad fungerer stadig efter ulykken?

Redundans kan være vigtigere end maksimal rækkevidde

I et sikkerhedskritisk kommunikationssystem er den bedste løsning ikke nødvendigvis den teknologi, der giver længst rækkevidde.

Det kan være vigtigere at have flere forskellige muligheder.

Et leaky feeder-system kan stå for den daglige radiokommunikation. Et meshnetværk kan levere data og alternative forbindelsesveje. MF eller TTE kan i særlige installationer give en sekundær kommunikationsmulighed.

Hvis systemerne har forskellige svagheder, kan de supplere hinanden.

Kommunikation handler også om position

I en nødsituation er det ikke altid nok at kunne høre en minearbejder.

Redningsmandskabet har også behov for at vide, hvor personen befinder sig.

Derfor kan moderne underjordiske kommunikationssystemer kombineres med elektronisk tracking.

Noder placeret forskellige steder i minen kan registrere en bærbar enhed og hjælpe med at bestemme, hvilken del af tunnelsystemet personen befinder sig i.

Kommunikation og lokalisering bliver dermed to dele af samme sikkerhedssystem.

Antennen er stadig afgørende

Selv i et avanceret minesystem gælder et af radioteknikkens grundprincipper:

En radio er kun en del af radiosystemet.

Antenne, frekvens, placering, kabler, dæmpning og omgivelser er mindst lige så afgørende.

En håndradio med høj sendeeffekt kan ikke kompensere for et kommunikationssystem, hvor signalet fysisk ikke kan nå frem.

Omvendt kan en radio med forholdsvis beskeden sendeeffekt fungere over store afstande i en mine, hvis infrastrukturen sørger for en effektiv signalvej.

En mine er et radiolaboratorium i fuld størrelse

Radiokommunikation under jorden viser på en meget tydelig måde, at radiobølger ikke opfører sig ens i alle omgivelser.

På overfladen tænker vi ofte på højde, fri sigt, terræn og antenneplacering.

Under jorden kommer andre faktorer i centrum: tunnelgeometri, klippe, metalstrukturer, kabler og muligheden for at opbygge alternative signalveje.

Nogle gange er løsningen en UHF-radio.

Andre gange er det et kilometerlangt koaksialkabel, der med vilje lækker.

Et andet sted kan signalet følge jernbaneskinner og kabler gennem minen.

Og i den mest ekstreme situation kan frekvensen sænkes så meget, at signalet kan bevæge sig direkte gennem selve jorden.

Den rigtige frekvens til den rigtige opgave

Der findes altså ikke én universel løsning på underjordisk radiokommunikation.

VHF, UHF, MF og meget lave frekvenser har forskellige egenskaber, og systemerne kan kombineres for at udnytte deres respektive styrker.

Det er måske den vigtigste radiotekniske lære fra minen:

Den bedste radioforbindelse skabes ikke nødvendigvis ved at sende kraftigere – men ved at forstå det miljø, radiosignalet skal bevæge sig igennem.