矿井下多波长无线光中继应急通信系统及通信方法与流程

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种矿井下多波长无线光中继应急通信系统，还涉及上述通信系统的通信方法。

背景技术：

现有的矿井下通信系统一般为无线电通信、光纤通信或电缆通信等。在矿井下通信和应急救援通信等场景中，使用无线电通信设备，有可能会产生尖端放电现象，在矿井下通常存在瓦斯这种易燃气体，一旦产生放电现象，极有可能发生爆炸等危险，井下工作和施工人员以及设备的安全会遭到极大的伤害。电缆及光缆架设复杂，位置相对固定，灵活性不高。所以，由于瓦斯和防爆要求的原因无线电通信已不能满足井下移动通信的实际需求，光缆和电缆使用也不方便。如果采用无线光通信，这些问题则可以得到解决，它可以满足井下复杂环境的通信。各个波长的无线光有不同的通信特性，所以在通信中也有着不同的应用场景。无线激光通信传输距离较远，并且还具有很高的速率，信道容量相对无线电通信更大。无线光通信中包括紫外光通信，它是一种新型通信方式，是利用紫外光在大气中的明显的散射特性来进行信息传输；但是在很多场景下，单一波长无线光通信也不能满足需求，所以提出了多波长无线光中继通信系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种矿井下多波长无线光中继应急通信系统，解决了现有井下通信方式存在的安全隐患多及无法满足使用需求的问题。

本发明的另一个目的在于提供上述通信系统的通信方法。

本发明所采用的技术方案是，矿井下多波长无线光中继应急通信系统，包括一个主控节点和若干个中继节点，主控节点依次和各中继节点连成直线型链路结构，主控节点和中继节点之间、中继节点和中继节点之间均通过红光激光进行通讯；每个中继节点通过紫外光与移动台进行通信。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

主控节点包括发送端、接收端及数据处理单元；每个中继节点包括发送端、接收端、数据处理单元及移动台接入模块，移动台接入模块通过紫外光与移动台进行通信；移动台包括发送端、接收端及数据处理单元；

主控节点的发送端、中继节点的发送端及移动台的发送端均采用650nm的红光激光作为光源；

主控节点的接收端、中继节点的接收端及移动台的接收端均采用PIN光电探测器或硅光电池；

中继节点的移动台接入模块由紫外LED和光电倍增管组成；

主控节点的数据处理单元、中继节点的数据处理单元及移动台的数据处理单元均采用型号为stc12c5a60s2的处理器芯片。

本发明采用的另一技术方案为，矿井下多波长无线光中继应急通信方法，具体包括如下步骤：

步骤1，建立无线光中继通信链路；

步骤2，根据步骤1建立的通信链路传输数据；

步骤3，拆除步骤1建立的无线光中继通信链路。

本发明另一技术方案的特点还在于，

其中步骤1的具体过程如下：

步骤1.1，将地面站的干路节点作为主控节点，将井下综采作业面处的M个点作为中继节点，M为大于等于1的整数，主控节点和各中继节点按照矿井下的巷道沿线依次设置；

步骤1.2，主控节点发起初始化信令，对自身编号为i，节点i发出信令后启动定时器T，若与主控节点相邻的中继节点收到初始化信令后，对自身节点进行编号为i+1，同时向节点i所在链路方向发送应答信令；节点i判断在T时间内能否收到节点i+1发来的应答信令，当T时间内未收到该应答信令，则认为自身为最后一个节点，则链路建立过程终止；若T时间内收到该应答信令，则编号为i的节点不响应，继续执行下一步；

步骤1.3，令编号i+1＝i，编号为i的中继节点向下一中继节点发送初始化信令，节点i发出信令后启动定时器T，若与节点i相邻的中继节点收到初始化信令后，对自身节点进行编号为i+1，同时向节点i链路方向发送应答信令；节点i判断在T时间内能否收到编号为i+1的节点发来的应答信令，若T时间内收到该应答信令，则编号为i的节点不响应，继续执行步骤1.4；当T时间内未收到该应答信令，则认为节点i为最后一个节点，随即向主控节点发送链路建立完成信令，执行步骤1.5；

步骤1.4，重复步骤1.3；

步骤1.5，比较节点i与M+1是否相等；若i＝M+1，则中继通信链路建立完成；反之，则中继通信链路建立失败。

其中步骤2的具体过程为：

a.主控节点发起数据传输，具体过程为：

首先，主控节点依次向所有中继节点发送链路占用信令，表明要发送数据，所有中继节点不响应各自对应的移动台发送的请求信令；

然后主控节点向下一中继节点发送数据，该中继节点接收后，先校验目标节点是否为自身，如果不是，该中继节点直接向下行链路转发；如果是，则将接收的数据转为紫外光发送出去，由该中继节点对应的移动台接收，同时再向下行链路方向转发；主控节点发送完数据后，依次向所有中继节点发送解除占用信令，各中继节点收到该信令后，恢复到初始化状态，依次向主控节点发送应答信令；

b.移动台发起数据传输；

移动台向自己对应的中继节点发出数据发送请求信令，该中继节点收到后向上行链路转发，直到主控节点收到；主控节点接收到后，发送链路占用信令，除发送请求的中继节点外，其余中继节点不响应各自对应移动台的发送请求信令并向主控节点发送应答信令；同时，发送请求的中继节点向自身对应的移动台发送允许发送指令，移动台开始发送数据，该数据为紫外光信号，中继节点将收到的紫外光信号转为红光激光向上行链路发送，直到主控节点接收到，移动台发送完数据后，发送结束帧；主控节点接收到结束帧后，依次向所有中继节点发送解除占用信令；各中继节点收到该信令后，恢复到初始化状态，同时依次向主控节点发送应答信令。

其中步骤3的具体过程为：

主控节点依次向所有中继节点发送拆除链路请求信令，各中继节点收到后依次向主控节点发送应答信令，主控节点收到所有中继节点的应答信令后，向下行链路的中继节点发送拆除链路信令，该中继节点收到拆除链路信令后，向下行链路方向依次转发，转发后清空自身的参数和数据，当拆除链路信令转发至最后一个中继节点时，该中继节点清空自身的参数和数据，不再向下行链轮转发，至此链路拆除完成。

本发明的有益效果是：

(1)本发明以红光激光与紫外光作为信息传输载体，是对现有通信方式的良好的补充。抗干扰能力强，不易产生尖端放电。特色在于可以使得整个通信链路的信息载体均为光波，极大的提高了通信方式的灵活性。能够更好的适应于矿井应急救援这一特殊场景下的通信需求。

(2)本发明应用场景为矿井下应急救援通信，所以节点个数少，通信模式简单，基本为点到点通信。提出的通信调度方法为集中式通信方法，实现相对简单。另外，由于采用的是无线光中继通信方式，所以设备架设方便灵活。

(3)本发明提出了基于该无线光通信系统的通信方法，这是一种集中式通信方法。因为中继节点个数少，所以在保证通信过程完整，能有效避免冲突的前提下，仍具体较好的实时性。

附图说明

图1是本发明矿井下多波长无线光中继应急通信系统的结构图；

图2是本发明矿井下多波长无线光中继应急通信系统的实施例中的链路建立时序图；

图3是本发明矿井下多波长无线光中继应急通信系统的实施例中的主控节点发起数据传输时序图；

图4本发明矿井下多波长无线光中继应急通信系统的实施例中移动台发起数据传输时序图；

图5是本发明矿井下多波长无线光中继应急通信系统的实施例中的拆除链路时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明矿井下多波长无线光中继应急通信系统，结构如图1所示，包括一个主控节点和若干个中继节点(中继节点一般为1～10个)，主控节点依次和各中继节点连成直线型链路结构，主控节点和中继节点之间、中继节点和中继节点之间均通过红光激光进行通讯；每个中继节点通过紫外光与移动台进行通信。主控节点、中继节点及移动台之间的连接关系如图1中的箭头所示，从主控节点依次向中继节点发送信令的方向为下行链路方向，从各中继节点依次向主控节点发送信令的方向为上行链路方向。

主控节点包括发送端、接收端及数据处理单元；每个中继节点包括发送端、接收端、数据处理单元及移动台接入模块，移动台接入模块通过紫外光与移动台进行通信；移动台包括发送端、接收端及数据处理单元；

主控节点的发送端、中继节点的发送端及移动台的发送端均采用650nm的红光激光作为光源；

主控节点的接收端、中继节点的接收端及移动台的接收端均采用PIN光电探测器或硅光电池；

中继节点的移动台接入模块由紫外LED和光电倍增管组成；

主控节点的数据处理单元、中继节点的数据处理单元及移动台的数据处理单元均采用型号为stc12c5a60s2的处理器芯片。

主控节点发送信令通过主控节点的发送端发送；主控节点接收信令通过主控节点的接收端接收，主控节点的信令处理通过主控节点的数据处理单元进行处理；

中继节点发送信令通过中继节点的发送端发送，中继节点接收信令通过中继节点的接收端接收，中继节点的信令处理通过中继节点的数据处理单元进行处理；

移动台发送信令通过移动台的发送端发送，移动台接收信令通过移动台的接收端接收，移动台的信令处理通过移动台的数据处理单元进行处理；

基于上述矿井下多波长无线光中继应急通信系统的通信方法，具体包括以下步骤：

步骤1，建立无线光中继通信链路。

步骤1.1，将地面站的干路节点作为主控节点，将井下综采作业面处的M个点作为中继节点，M为大于等于1的整数，主控节点和各中继节点按照矿井下的巷道沿线依次设置(即整个链路为串联连接)；

步骤1.2，主控节点发起初始化信令，对自身编号为i(i＝1)，节点i发出初始化信令后启动定时器T(该定时器T为链路建立定时器)，若与主控节点相邻的中继节点收到初始化信令后，对自身节点进行编号为i+1，同时向节点i所在链路方向发送应答信令；节点i判断在T时间内能否收到节点i+1发来的应答信令，当T时间内未收到该应答信令，则认为自身为最后一个节点，则链路建立过程终止；若T时间内收到该应答信令，则编号为i的节点不响应，继续执行下一步；

步骤1.3，令编号i+1＝i，编号为i的中继节点向下一中继节点发送初始化信令，节点i发出信令后启动定时器T，若与节点i相邻的中继节点收到初始化信令后，对自身节点进行编号为i+1，同时向节点i链路方向发送应答信令；节点i判断在T时间内能否收到编号为i+1的节点发来的应答信令，若T时间内收到该应答信令，则编号为i的节点不响应，继续执行步骤1.4；当T时间内未收到该应答信令，则认为节点i为最后一个节点，随即向主控节点发送链路建立完成信令，执行步骤1.5；

步骤1.4，重复步骤1.3；

步骤1.5，比较节点i与M+1(1个主控节点+M个中继节点，即实际节点个数)数值是否相等；若i＝M+1，则中继通信链路建立完成；反之，则中继通信链路建立失败。

步骤2，根据步骤1建立的通信链路传输数据；

a.主控节点发起数据传输；

首先，主控节点依次向所有中继节点发送链路占用信令，表明要发送数据，所有中继节点不响应各自对应的移动台发送的请求信令；

然后主控节点向下一中继节点(与主控节点相邻的中继节点)发送数据，该中继节点接收后，先校验目标节点是否为自身，如果不是，该中继节点直接向下行链路转发；如果是，则将接收的数据转为紫外光发送出去，由该中继节点对应的移动台接收，同时再向下行链路方向转发；主控节点发送完数据后，依次向所有中继节点发送解除占用信令，各中继节点收到该信令后，恢复到初始化状态，依次向主控节点发送应答信令；

b.移动台发起数据传输(只能是一个移动台发起数据传输，当其中一个中继节点对应的移动台发起数据传输时，其余中继节点对应的移动台不能再发起数据传输)；

移动台向自己对应的中继节点(每个中继节点对应一个移动台)发出数据发送请求信令，该中继节点收到后向上行链路转发，直到主控节点收到；主控节点接收到后，发送链路占用信令，除发送请求的中继节点(由于移动台向自己对应的中继节点发出数据发送请求信令后，是由该中继节点向主控节点转发的请求信令，因此该中继节点也为发送请求的节点)外，其余中继节点不响应各自对应移动台的发送请求信令并向主控节点发送应答信令；同时，发送请求的中继节点向自身对应的移动台发送允许发送指令，移动台开始发送数据，该数据为紫外光信号，中继节点将收到的紫外光信号转为红光激光向上行链路发送，直到主控节点接收到，移动台发送完数据后，发送结束帧；主控节点接收到结束帧后，依次向所有中继节点发送解除占用信令；各中继节点收到该信令后，恢复到初始化状态，同时依次向主控节点发送应答信令。

步骤3，拆除步骤1建立的无线光中继通信链路；

主控节点依次向所有中继节点发送拆除链路请求信令，各中继节点收到后依次向主控节点发送应答信令，主控节点收到所有中继节点的应答信令后，向下行链路的中继节点发送拆除链路信令，该中继节点收到拆除链路信令后，向下行链路方向依次转发，转发后清空自身的参数和数据，当拆除链路信令转发至最后一个中继节点时，该中继节点清空自身的参数和数据，不再向下行链轮转发，至此链路拆除完成。

实施例

首先，给出几个参数的定义：

数据传输速率为1Mbps，信令为6字节，数据帧中加载的数据为128字节，本实施例中选取的节点数为4个，包括1个主控节点和3个中继节点。每个节点之间的距离为1000米，紫外光接入距离为100米。

定时器T：该定时器为链路建立定时器，判断在1ms内能否收到下一节点的链路建立应答信号。若未在T内收到，则认为自身为最后一个中继节点。

当节点个数N＝4时，分析链路时延如下：

节点间通信最小延时＝传播时延+传输时延+处理时延(可以忽略)

因为T＞2t_min，所以取T＝1ms。

最大链路建立时延t1＝等待时延+应答时延

t₁≤(N-1)×T+(N-1)×t_min≈3.6ms；

最大数据传输时延t2＝传播时延+传输时延+接入时延+处理时延(忽略)

具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立无线光中继通信链路。

将地面站的干路节点作为主控节点，将井下综采作业面处的3个点作为中继节点；

链路建立时序图如图2所示，主控节点发起初始化信令，对自身编号为1，节点1发出信令后启动定时器T，若与主控节点相邻的中继节点收到初始化信令后，对自身节点进行编号为2，同时向节点1所在链路方向发送应答信令；节点1判断在T时间内能否收到节点2发来的应答信令，当T时间内未收到该应答信令，则认为自身为最后一个节点，则链路建立过程终止；若T时间内收到该应答信令，则编号为1的节点不响应；节点2向下一中继节点发送初始化信令，节点2发出信令后启动定时器T，若与节点2相邻的中继节点收到初始化信令后，对自身节点进行编号为3，同时向节点2链路方向发送应答信令；节点2判断在T时间内能否收到编号为3的节点发来的应答信令，当T时间内未收到该应答信令，则认为节点2为最后一个节点，随即向主控节点发送链路建立完成信令；若T时间内收到该应答信令，则编号为2的节点不响应；节点3向下一中继节点发送初始化信令，节点3发出信令后启动定时器T，若与节点3相邻的中继节点收到初始化信令后，对自身节点进行编号为4，同时向节点3链路方向发送应答信令；节点3判断在T时间内能否收到编号为4的节点发来的应答信令，当T时间内未收到该应答信令，则认为节点4为最后一个节点，随即向主控节点1发送链路建立完成信令；因为在本例中以4个节点为例，节点4下行方向并无节点，所以在T时间内不会受到应答信令，此时4号节点则确认自身为最后一个节点；

上述步骤1中，若链路建立过程中，节点1或节点2或节点3认为自身为最后一个节点，因为与实际的节点数4不相等表明链路建立失败，然而根据最终发送至主控节点1处的节点数判断出问题节点的位置，可调整后重新初始化链路。若节点4为认为自身为最后一个节点，与实际节点数相等，则节点4会向节点1发送链路建立完成信令，节点3和节点2依次转发该信令，1号节点收到该信令后，便可以判断链路节点个数为4个，此例中最终主控节点1判断的节点个数与实际的节点个数相同，均为4，则表明链路建立成功。

步骤2，根据步骤1建立的通信链路传输数据；

a.主控节点发起数据传输

本例中选节点1向节点4对应的移动台发送数据；

如图3所示，节点1先向所有中继节点(即节点2、节点3、节点4)发送链路占用信令，表明要发送数据，节点2、节点3、节点4不响应各自对应移动台的发送请求信令，同时向节点1发送应答信令，节点1向节点2发送数据，节点2接收后，先校验目标节点是否为自身，如果不是，直接向下行链路转发，如果是，则将其(节点1发送的数据)转为紫外光发送出去，再经节点3转发，最终由节点4接收到，节点4将接收到的数据由移动台接入模块通过紫外光转发给对应的移动台(节点4对应的)，节点1发送完数据后，向节点2、节点3、节点4发送解除占用信令，节点2、节点3、节点4收到该信令后，恢复到初始化状态，同时向节点1发送应答信令。

B.(任一)移动台发起数据传输。

在本实施例中，是节点4对应的移动台向节点4发出数据发送请求信令，如图4所示，节点4收到后向上行链路转发，直到节点1收到，节点1接收到后，发送链路占用信令，除发送请求的节点4外的所有中继节点(即节点2、节点3)不响应各自对应移动台的发送请求信令，同时节点2、节点3向节点1发送应答信令，同时，节点4向与其对应的移动台发送允许发送指令，该移动台开始发送数据(该数据以紫外光的形式发送)，节点4将收到的紫外光信号转为红光激光发送，依次经节点3、节点2转发，直到节点1接收到，与节点4对应的移动台发送完数据后，向节点4发送结束帧，节点4收到该信令后依次经点3、节点2转发，直到节点1接收到该结束帧，节点1接收到该结束帧后，向节点2、节点3、节点4发送解除占用信令，节点2、节点3、节点4收到该信令后，恢复到初始化状态，依次向节点1发送应答信令。

步骤3：拆除无线光中继通信链路。

如图5所示，主控节点(节点1)向所有中继节点(节点2、3、4)发送拆除链路请求信令，各中继节点(节点2、3、4)收到后依次向主控节点(节点1)发送应答信令，主控节点(节点1)收到所有应答信令后，向所有中继节点(节点2、3、4)依次发送拆除链路信令，中继节点(节点2)收到该信令后，向下行链路方向(即节点3)依次转发，转发后清空自身参数和数据，当转发至节点4时，由于节点4为最后一个中继节点，此时，节点4清空自身的参数和数据，链路拆除完成。

本发明以红光激光和紫外光作为信息传输的载体，采用红光和紫外光中继的方式实现了能够自行建立链路，自行配置节点参数和主动通信调度的矿井下多波长无线光中继应急通信方法。能够满足矿井救援时救援队的需求，且能够跟随救援进度灵活增加中继节点个数。

本发明整个链路均使用无线光作为信息载体，能有效避免尖端放电。多波长无线光中继能够充分发挥各个波段无线光的特点，使其实现有机的配合，提高了无线光通信的实用性。另外，本发明架设方便，链路建立简单，能够自主建立链路，自行配置参数和智能调度，拥有良好的通信性能。

本发明矿井下多波长无线光中继应急通信方法，可以随着救援推进来快速布置中继节点，基于这种方法，能够很方便地串入新的节点，本发明提出的通信方法中可以采用时分复用的方式，这样能够有效地提高链路使用效率和通信速率。

本发明主要以矿井下无线光通信系统作为研究对象，研究使用紫外光和红光激光中继的通信方式。多移动台接入要求信号载体有较强的散射性，因此，宽视场、非直视和覆盖范围广的紫外光适合用于接入。但隧道中干路传输为尽量减小信号衰减损耗，要求信号载体有较强的方向性，因此干路使用传输距离远、速率高和容量大的红光激光适用于干路传输。