一种多模式矿井移动通信系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多模式矿井移动通信系统，包括控制单元，树形结构无源光网络，井下防爆多输入多输出(MIMO)基站，井下防爆单输入单输出(SISO)基站，分布式MIMO天线和井下移动终端；所述系统动态选择多个模式工作：在SISO模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的通信网关和远端天线单元处理SISO信号；在MIMO模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的通信网关和远端天线单元组处理MIMO输出信号；在混合模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的通信网关与天线单元组处理SISO和MIMO输出信号。本发明专利技术结构简单、部署灵活，系统信道容量大，抗干扰能力强，网络覆盖范围广，能够克服远近效应和消除通信盲区，满足矿用特定使用环境和安全要求，适用于煤矿井下移动通信和移动监控。

【技术实现步骤摘要】
一种多模式矿井移动通信系统
本专利技术专利涉及一种煤矿井下移动通信系统，具体地说是涉及一种多模式矿井移动通信系统。
技术介绍
现有的矿井移动通信系统大多采用小区制蜂窝网络，在发送端和接收端各采用一根天线。然而，对于矿井限定非自由空间环境，传统的井下单发射天线和单接收天线信系统(即单输入单输出，SISO)存在多径衰落严重、环境噪声影响大、信道容量小和传输损耗大等问题，难以满足矿井移动通信和移动监控的需要，特别是在多径衰落深度较大的矿井环境，由于井下设备的防爆要求和发射机功率受限，通过增加发射功率难以克服深度衰落。随着MIMO技术在移动通信系统的广泛应用，集中式多天线系统，分布式多天线系统已成为移动通信系统典型的无线网络结构。而集中式MIMO系统采用传统的蜂窝结构，将基于MIMO技术的多个天线集中部署，仅通过要求各天线间的间距等于或大于信号半波长，从而使收发天线对小尺度衰落不相关而获得相应的增益。然而矿井覆盖范围纵横可达数十公里，煤矿井下空间狭小、巷道倾斜、表面粗糙，有拐弯和分支，井下电磁干扰严重，电磁波传输损耗大，采用传统的SISO系统和集中式MIMO系统往往存在着阴影区或通信盲区，即天线由于集中放置而无线网络无法覆盖到井下狭长巷道或拐弯巷道区域，在这些区域内信号衰落非常明显甚至根本无法通信，而且传统集中式MIMO天线选择技术通过减少射频单元的数量和改善空域相关特性等方法，也无法应用于分布式多天线网络结构中。因此，针对煤矿井下的特殊性，研究抗灾变、抗干扰和无盲区的矿井移动通信系统，显得十分必要。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种多模式矿井移动通信系统和数据传输方法，旨在解决上述不足之处，特别是为了克服现有的矿井通信系统信道容量较小、抗干扰能力差和存在通信盲区问题，提供了一种高带宽、抗干扰能力强、覆盖范围广、通信质量好的多模式矿井移动通信系统和数据传输方法。本专利技术采用的技术方案是：一种多模式矿井移动通信系统包括控制调度单元，无源光网络，井下防爆多输入多输出(MIMO)基站，井下防爆单输入单输出(SISO)基站，分布式MIMO天线和井下移动终端；系统采用正交频分复用多址(OFDMA)射频技术，能够选择包括SISO模式、MIMO模式和混合模式多个操作模式工作；在SISO模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元处理SISO信号；在MIMO模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元组处理MIMO输出信号；在混合模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关与天线单元组处理SISO和MIMO输出信号。所述MIMO基站被配置成TD-LTE或WiMAX基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过光纤分别与分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元组连接；所述SISO基站被配置成WCDMA或WiFi基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过光纤分别与分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元组连接；MIMO通信网关通过耦合器与MIMO基站耦合，并被配置为在相应的第一天线端口和第二天线端口接收来自所述MIMO基站的所述第一信号和所述第二信号，并且在至少一个输出端口上提供输出信号，该输出信号包括所述第一信号的至少一部分以及所述第二信号的至少一部分。所述MIMO基站和所述SISO基站分别与所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关相耦合，并且通过加法电路将MIMO信号和SISO信号组合后通过MIMO通信网关选择性地与远端天线单元进行通信。所述系统实现天线选择的方法步骤包括：第一步：MIMO通信网关周期性地监测各个远端天线单元所接收的井下移动终端信号，对第i个天线单元与井下移动终端接收信号强度(RSSI)参数值建立映射关系i→RSS(i)[i]；第二步：MIMO通信网关依据各井下移动终端的监测结果，更新天线单元映射表中井下移动终端的信号强度参数RSS(n)[N]；第三步：MIMO通信网关对N时间内各天线单元所对应的井下移动终端的各次信号强度RSS(n)[n]加权求和后计算统计平均值并将与判决阈值Pinit比较(Pinit是根据不同的空中接口传输技术的接收能力所得出的判决阈值)；第四步：MIMO通信网关选择M(M≤n)个信号强度大于判决阈值的天线单元，并根据平均功率分配规则P(i)(m)＝Ps/M配置相应的发送功率(Ps为发送总功率)，选择无线信道最佳的天线与井下移动终端通信。所述控制调度单元由基站控制器和井上调度装置组成，其通过光链路与井下装置进行通信；所述基站控制器通过无源光网络分别与所述SISO基站和所述MIMO基站连接，其通过远端天线单元与所述井下移动终端进行通信。系统主干网络采用以太网无源光网络技术，网络传输采用波分复用技术，井下无线通信采用基于MIMO-OFDM的无线接入网络，天线系统采用分布式MIMO天线，系统网络结构采用树形网络拓扑结构。无源光网络由光线路终端、无源分光器、MIMO通信网关组成；无线接入网络由地面基站、井下MIMO基站、井下SISO基站、分布式MIMO天线组成；控制系统由基站控制器和井上调度装置组成。光线路终端通过光纤、波分复用器与井下基站、MIMO通信网关连接；井下基站通过基站MIMO网关与远端天线单元连接；控制系统通过或以太网接口与光线路终端连接；井下移动终端通过分布式MIMO天线的远端天线单元与井下基站连接。分布式MIMO天线部署在井下巷道等和工作面，通过光纤将MIMO通信网关和远端天线单元链接，并沿巷道壁架设在井下巷道等通信区域，实现井下无线通信区域的场强均匀覆盖，消除井下无线通信盲区。所述矿井移动通信系统，通过光链路、波分复用器组成系统主干网络。所述矿井移动通信系统，光线路终端通过系统主干网络与井下基站连接，组成矿井无源光网络。所述分布式MIMO天线系统由MIMO通信网关和远端天线单元组成。所述井下SISO基站和井下MIMO基站采用相互独立的上行波长和下行波长，光线路终端通过光纤及波分复用器连接多个井下SISO基站和井下MIMO基站；光链路为系统主干网络提供长距离传输和无源中继。所述矿井移动通信系统，光线路终端将发射单元输出的下行光信号波分复用后通过光链路向井下基站传输，将光链路传输来的各井下基站波分复用后的上行光波分解复用、输出。所述光线路终端连接基站控制器，并通过光链路连接井下MIMO基站和井下SISO基站，井下移动终端通过远端天线接口接入井下MIMO基站。基站控制器为井下基站进行无线资源的分配、呼叫处理和功率控制。所述MIMO通信网关提供无源光接口、以太网接口、CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口和RS232/485接口接口。其被配置为将以太网数据信号、视频信号、音频信号落地，实现井下数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备、以太网终端、移动监控与通信设备的接入。所述井下基站通过光接口与MIMO通信网关连接，通过光接口与远端天线单元连接，为井下移动终端提供无线接入。所述井上调度装置包括调度控制服务器、移动定位网关和以太网交换机，其分别与通过光纤接口或电接口与光线路终端连接。所述调度控制服务器通过以太网与光线路终端连接，其内置基站调度控制模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多模式矿井移动通信系统，其特征在于，系统包括控制调度单元，树形结构无源光网络，井下防爆多输入多输出(MIMO)基站，井下防爆单输入单输出(SISO)基站，分布式MIMO天线和井下移动终端；其特征还在于，所述系统能够选择SISO模式、MIMO模式和混合模式工作：在SISO模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元处理SISO信号；在MIMO模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元组处理MIMO输出信号；在混合模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关与天线单元组处理SISO和MIMO输出信号；所述系统采用正交频分复用多址(OFDMA)射频技术；所述MIMO基站被配置成TD‑LTE或WiMAX基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过光纤分别与分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元连接；所述SISO基站被配置成WCDMA或WiFi基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过光纤分别与分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元连接；所述MIMO通信网关通过耦合器与MIMO基站耦合，并被配置为在相应的第一天线端口和第二天线端口接收来自所述MIMO基站的所述第一信号和所述第二信号，并且在至少一个输出端口上提供输出信号，该输出信号包括所述第一信号的至少一部分以及所述第二信号的至少一部分；所述MIMO基站和所述SISO基站分别与所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关相耦合，并且通过加法电路将MIMO信号和SISO信号组合后选择性地通过MIMO通信网关与远端天线单元进行通信；所述控制调度单元由基站控制器和井上调度装置组成，并且通过光链路与井下装置进行通信；以及所述基站控制器通过无源光网络分别与所述MIMO基站和所述SISO基站连接，并且通过远端天线单元与所述井下移动终端进行通信。...

【技术特征摘要】
1.一种多模式矿井移动通信系统，其特征在于，系统包括控制调度单元，树形结构无源光网络，井下防爆多输入多输出MIMO基站，井下防爆单输入单输出SISO基站，分布式MIMO天线和井下移动终端；其特征还在于，所述系统能够选择SISO模式、MIMO模式和混合模式工作：在SISO模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元处理SISO信号；在MIMO模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元组处理MIMO输出信号；在混合模式中，系统通过所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关与天线单元组处理SISO和MIMO输出信号；所述系统采用正交频分复用多址OFDMA射频技术；所述MIMO基站被配置成TD-LTE或WiMAX基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过光纤分别与分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元连接；所述SISO基站被配置成WCDMA或WiFi基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过光纤分别与分布式MIMO天线的MIMO通信网关和远端天线单元连接；所述MIMO通信网关通过耦合器与MIMO基站耦合，并被配置为在相应的第一天线端口和第二天线端口接收来自所述MIMO基站的所述第一信号和所述第二信号，并且在至少一个输出端口上提供输出信号，该输出信号包括所述第一信号的至少一部分以及所述第二信号的至少一部分；所述MIMO基站和所述SISO基站分别与所述分布式MIMO天线的MIMO通信网关相耦合，并且通过加法电路将MIMO信号和SISO信号组合后选择性地通过MIMO通信网关与远端天线单元进行通信；所述控制调度单元由基站控制器和井上调度装置组成，并且通过光链路与井下装置进行通信；以及所述基站控制器通过无源光网络分别与所述MIMO基站和所述SISO基站连接，并且通过远端天线单元与所述井下移动终端进行通信。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统传输MIMO信号和SISO信号的方法，包括：接收指示一个或多个井下移动终端的信号条件的信道状态信息CSI；选择用于上行链路数据传输的一个或多个井下移动终端并为其分配一个或多个发射天线；通过多个远端天线单元将多个已调信号发送到一个或多个井下移动终端；通过多个接收天线从一个或多个选定的井下移动终端接收多个已调信号；以及处理多个接收到的信号以恢复由一个或多个选定的井下移动终端发送的数据。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统天线选择的方法步骤包括：(1)所述MIMO基站和SISO基站周期性地监测各个远端天线单元所接收的井下移动终端信号，对第i个天线单元与井下移动终端接收信号强度RSSI参数值建立映射关系i→RSS(i)[i]；(2)MIMO通信网关依据各井下移动终端的监测结果，更新天线单元映射表中井下移动终端的信号强度参数RSS(n)[N]；(3)MIMO通信网关对N时间内各天线单元所对应的井下移动终端的信号强度RSS(i)[i]加权求和后计算统计平均值并将得出的统计平均值与判决阈值Pinit比较；(4)MIMO通信网关选择K个信号强度大于判决阈值的天线单元，并根据平均功率分配规则P(i)(k)＝Ps/K配置相应的发送功率，其中Ps为发送总功率，实现选择无线信道较好的天线与井下移动终端通信。4.根据权利要求1所述的系统，其中树形结构无源光网络，其特征在于包括：光线路终端，用于井下上行数据帧的调度、波长信道分配和网络终端的通信，以及井下远端光链路中断、断电告警和运维管理OAM；光链路，用于在单条光纤上双向传输光信号，至少包括第一光纤、第二光纤和波分复用器；以及光网络终端，可以将MIMO通信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11