一種多模式礦井移動通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多模式礦井移動通信系統(tǒng)，包括控制單元，樹形結(jié)構(gòu)無源光網(wǎng)絡(luò)，井下防爆多輸入多輸出(MIMO)基站，井下防爆單輸入單輸出(SISO)基站，分布式MIMO天線和井下移動終端；所述系統(tǒng)動態(tài)選擇多個模式工作：在SISO模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MIMO天線的通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元處理SISO信號；在MIMO模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MIMO天線的通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元組處理MIMO輸出信號；在混合模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MIMO天線的通信網(wǎng)關(guān)與天線單元組處理SISO和MIMO輸出信號。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、部署靈活，系統(tǒng)信道容量大，抗干擾能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，能夠克服遠(yuǎn)近效應(yīng)和消除通信盲區(qū)，滿足礦用特定使用環(huán)境和安全要求，適用于煤礦井下移動通信和移動監(jiān)控。
【專利說明】一種多模式礦井移動通信系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種煤礦井下移動通信系統(tǒng)，具體地說是涉及一種多模式礦井移動通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的礦井移動通信系統(tǒng)大多采用小區(qū)制蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)送端和接收端各采用一根天線。然而，對于礦井限定非自由空間環(huán)境，傳統(tǒng)的井下單發(fā)射天線和單接收天線信系統(tǒng)(即單輸入單輸出，Siso)存在多徑衰落嚴(yán)重、環(huán)境噪聲影響大、信道容量小和傳輸損耗大等問題，難以滿足礦井移動通信和移動監(jiān)控的需要，特別是在多徑衰落深度較大的礦井環(huán)境，由于井下設(shè)備的防爆要求和發(fā)射機(jī)功率受限，通過增加發(fā)射功率難以克服深度衰落。隨著MMO技術(shù)在移動通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，集中式多天線系統(tǒng)，分布式多天線系統(tǒng)已成為移動通信系統(tǒng)典型的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而集中式MMO系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)，將基于MMO技術(shù)的多個天線集中部署，僅通過要求各天線間的間距等于或大于信號半波長，從而使收發(fā)天線對小尺度衰落不相關(guān)而獲得相應(yīng)的增益。然而礦井覆蓋范圍縱橫可達(dá)數(shù)十公里，煤礦井下空間狹小、巷道傾斜、表面粗糙，有拐彎和分支，井下電磁干擾嚴(yán)重，電磁波傳輸損耗大，采用傳統(tǒng)的SISO系統(tǒng)和集中式MIMO系統(tǒng)往往存在著陰影區(qū)或通信盲區(qū)，即天線由于集中放置而無線網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋到井下狹長巷道或拐彎巷道區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)信號衰落非常明顯甚至根本無法通信，而且傳統(tǒng)集中式MMO天線選擇技術(shù)通過減少射頻單元的數(shù)量和改善空域相關(guān)特性等方法，也無法應(yīng)用于分布式多天線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。因此，針對煤礦井下的特殊性，研究抗災(zāi)變、抗干擾和無盲區(qū)的礦井移動通信系統(tǒng)，顯得十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的主要目的在于提供一種多模式礦井移動通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸方法，旨在解決上述不足之處，特別是為了克服現(xiàn)有的礦井通信系統(tǒng)信道容量較小、抗干擾能力差和存在通信盲區(qū)問題，提供了一種高帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、通信質(zhì)量好的多模式礦井移動通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸方法。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種多模式礦井移動通信系統(tǒng)包括控制調(diào)度單元，無源光網(wǎng)絡(luò)，井下防爆多輸入多輸出(MIMO)基站，井下防爆單輸入單輸出(SISO)基站，分布式MMO天線和井下移動終端；系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)射頻技術(shù)，能夠選擇包括SISO模式、MMO模式和混合模式多個操作模式工作；在SISO模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MMO天線的MMO通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元處理SISO信號；在MMO模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MMO天線的MMO通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元組處理MMO輸出信號；在混合模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MMO天線的MMO通信網(wǎng)關(guān)與天線單元組處理SISO和MMO輸出信號。
[0005]所述MMO基站被配置成TD-LTE或WiMAX基站，至少輸出第一信號和第二信號，并且通過光纖分別與分布式MIMO天線的MIMO通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元組連接；所述SISO基站被配置成WCDMA或WiFi基站，至少輸出第一信號和第二信號，并且通過光纖分別與分布式MIMO天線的MIMO通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元組連接；ΜΙΜ0通信網(wǎng)關(guān)通過耦合器與MIMO基站耦合，并被配置為在相應(yīng)的第一天線端口和第二天線端口接收來自所述MIMO基站的所述第一信號和所述第二信號，并且在至少一個輸出端口上提供輸出信號，該輸出信號包括所述第一信號的至少一部分以及所述第二信號的至少一部分。
[0006]所述MMO基站和所述SISO基站分別與所述分布式MMO天線的MMO通信網(wǎng)關(guān)相耦合，并且通過加法電路將MMO信號和SISO信號組合后通過MMO通信網(wǎng)關(guān)選擇性地與遠(yuǎn)端天線單元進(jìn)行通信。
[0007]所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天線選擇的方法步驟包括:
[0008]第一步:ΜΜ0通信網(wǎng)關(guān)周期性地監(jiān)測各個遠(yuǎn)端天線單元所接收的井下移動終端信號，對第i個天線單元與井下移動終端接收信號強(qiáng)度(RSSI)參數(shù)值建立映射關(guān)系i — RSS⑴[i]；
[0009]第二步:ΜΜ0通信網(wǎng)關(guān)依據(jù)各井下移動終端的監(jiān)測結(jié)果，更新天線單元映射表中井下移動終端的信號強(qiáng)度參數(shù)RSS(n)[N]；
[0010]第三步:ΜΜ0通信網(wǎng)關(guān)對N時間內(nèi)各天線單元所對應(yīng)的井下移動終端的各次信
號強(qiáng)度RSS(n)[n]加權(quán)求和后計算統(tǒng)計平均值
【權(quán)利要求】
1.一種多模式礦井移動通信系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括控制調(diào)度單元，樹形結(jié)構(gòu)無源光網(wǎng)絡(luò)，井下防爆多輸入多輸出(MIMO)基站，井下防爆單輸入單輸出(SISO)基站，分布式MIMO天線和井下移動終端；其特征還在于， 所述系統(tǒng)能夠選擇SISO模式、MMO模式和混合模式工作:在SISO模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MMO天線的MMO通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元處理SISO信號；在MMO模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MMO天線的MMO通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元組處理MMO輸出信號；在混合模式中，系統(tǒng)通過所述分布式MMO天線的MMO通信網(wǎng)關(guān)與天線單元組處理SISO和MMO輸出信號； 所述系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用多址(OFDMA)射頻技術(shù)； 所述MMO基站被配置成TD-LTE或WiMAX基站，至少輸出第一信號和第二信號，并且通過光纖分別與分布式MIMO天線的MIMO通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元連接； 所述SISO基站被配置成WCDMA或WiFi基站，至少輸出第一信號和第二信號，并且通過光纖分別與分布式MIMO天線的MIMO通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元連接； 所述MIMO通信網(wǎng)關(guān)通過耦合器與MIMO基站耦合，并被配置為在相應(yīng)的第一天線端口和第二天線端口接收來自所述MMO基站的所述第一信號和所述第二信號，并且在至少一個輸出端口上提供輸出信號，該輸出信號包括所述第一信號的至少一部分以及所述第二信號的至少一部分； 所述MIMO基站和所述SISO基站分別與所述分布式MIMO天線的MIMO通信網(wǎng)關(guān)相耦合，并且通過加法電路將MIMO信號和SISO信號組合后選擇性地通過MIMO通信網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)端天線單元進(jìn)行通信； 所述控制調(diào)度單元由基站控制器和井上調(diào)度裝置組成，并且通過光鏈路與井下裝置進(jìn)行通信；以及 所述基站控制器通過無源光網(wǎng)絡(luò)分別與所述MMO基站和所述SISO基站連接，并且通過遠(yuǎn)端天線單元與所述井下移動終端進(jìn)行通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)傳輸MIMO信號和SISO信號的方法，包括: 接收指示一個或多個井下移動終端的信號條件的信道狀態(tài)信息(CSI)； 選擇用于上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€或多個井下移動終端并為其分配一個或多個發(fā)射天線； 通過多個遠(yuǎn)端天線單元將多個已調(diào)信號發(fā)送到一個或多個井下移動終端； 通過多個接收天線從一個或多個選定的井下移動終端接收多個已調(diào)信號；以及 處理多個接收到的信號以恢復(fù)由一個或多個選定的井下移動終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)天線選擇的方法步驟包括: (1)所述MMO基站和SISO基站周期性地監(jiān)測各個遠(yuǎn)端天線單元所接收的井下移動終端信號，對第i個天線單元與井下移動終端接收信號強(qiáng)度(RSSI)參數(shù)值建立映射關(guān)系i — RSS（i)[i]； (2)MIMO通信網(wǎng)關(guān)依據(jù)各井下移動終端的監(jiān)測結(jié)果，更新天線單元映射表中井下移動終端的信號強(qiáng)度參數(shù)RSS(n)[N]； (3)MMO通信網(wǎng)關(guān)對N時間內(nèi)各天線單元所對應(yīng)的井下移動終端的信號強(qiáng)度RSS(i)[i]加權(quán)求和后計算統(tǒng)計平均值一，并將得出的統(tǒng)計平均值;^與判決閾值Pinit比較； (4)MIMO通信網(wǎng)關(guān)選擇K個信號強(qiáng)度大于判決閾值的天線單元，并根據(jù)平均功率分配規(guī)則P(i) (k) = Ps/K配置相應(yīng)的發(fā)送功率(Ps為發(fā)送總功率)，實(shí)現(xiàn)選擇無線信道較好的天線與井下移動終端通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)的樹形結(jié)構(gòu)無源光網(wǎng)絡(luò)，其特征在于包括: 光線路終端，用于井下上行數(shù)據(jù)幀的調(diào)度、波長信道分配和網(wǎng)絡(luò)終端的通信，以及井下遠(yuǎn)端光鏈路中斷、斷電告警和運(yùn)維管理(OAM)； 光鏈路，用于在單條光纖上雙向傳輸光信號，至少包括第一光纖、第二光纖和波分復(fù)用器；以及 光網(wǎng)絡(luò)終端，可以將MIMO通信網(wǎng)關(guān)配置成用于提供井下無源光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)終端功能和各種端口接入和通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)中或權(quán)利要求3所述的光鏈路，其特征在于包括: 光纖，其特征在于，所述光纖用于在不同波長上傳輸上行鏈路信號和下行鏈路信號，并且被配置成工作波長為λ I = 1490nm和λ2 = 1310nm的長波長單模光纖； 波分復(fù)用器，其特征在于，所述波分復(fù)用器采用1: n(2<n<32)分光比波分復(fù)用，并被配置為對所述光纖上的所述上行鏈路信號和所述下行鏈路信號進(jìn)行濾波分路和聚合；以及 所述光鏈路傳輸信號包括經(jīng) 調(diào)制的數(shù)字信號或光纖無線電(RoF)載波信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)中的MIMO基站，其特征在于包括: 選擇器，通過對遠(yuǎn)端天線單元進(jìn)行功率分配和天線選擇，以選擇一個或多個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木乱苿咏K端； 控制器，接收指示一個或多個選定的井下移動終端的信道條件的信道狀態(tài)信息(CSI)，并基于接收到的CSI提供一個或多個控制、工作狀態(tài)監(jiān)控和告警信息上報； 處理器，用于處理一個或多個選定的井下移動終端的數(shù)據(jù)并編碼、調(diào)制和擴(kuò)頻以及信令處理以提供多個調(diào)制碼元流； 調(diào)制器，用于為多個調(diào)制碼元流生成多個已調(diào)信號；以及 裝置，被配置成具有光接口和井下防爆功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)中的分布式MIMO天線，其特征在于包括: MIMO通信網(wǎng)關(guān)，用于動態(tài)地將系統(tǒng)從SISO模式切換到MMO模式和混合模式，其內(nèi)置混合式耦合器和加法電路，正交耦合MIMO輸入信號以及完成MIMO預(yù)編碼處理，并通過加法電路將SIMO基站信號和MIMO基站信號進(jìn)行組合后被配置成至少接收所述耦合器的輸出信號; 遠(yuǎn)端天線單元，用于與所述MMO通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，將已調(diào)信號發(fā)送到一個或多個選定的井下移動終端，每個遠(yuǎn)端天線至少包括一個射頻天線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分布式MIMO天線，其特征在于包括: 所述MMO通信網(wǎng)關(guān)被配置成基于CSI處理的包含混合式耦合器、加法電路、基帶處理器、MIMO處理器、數(shù)字IF處理器和多個光纖接口的裝置，并通過光鏈路與遠(yuǎn)端天線單元進(jìn)行通信； 所述MMO通信網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的混合式耦合器為3db的正交耦合器，并且被配置為在多個輸出端口上輸出多個輸出信號，構(gòu)成所屬多個輸出信號的所述第一信號和所述第二信號中至少一個相對另一個是正交相移的；以及 所述遠(yuǎn)端天線單元被配置為使用相同的載波頻率、相同的時隙和相同的碼道，并包含信道FFT/IFFT、循環(huán)前綴發(fā)生器、數(shù)字IF處理上變頻器、功放和濾波的射頻電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)的所述井上調(diào)度裝置，其特征在于包括: 調(diào)度控制服務(wù)器，被配置成包含控制模塊、直通模塊和定位信息，用于當(dāng)井下基站出現(xiàn)故障或光纖斷裂時的井下井下移動終端之間的應(yīng)急通信，并通過以太網(wǎng)接口與所述光線路終端連接； 移動定位網(wǎng)關(guān)，用于井下移動終端定位以及對井下人員和機(jī)車的定位、監(jiān)測功能，并通過以太網(wǎng)接口與所述光線路終端連接；以及 以太網(wǎng)交換機(jī)，用于所述系統(tǒng)與地面通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，并通過以太網(wǎng)接口與所述光線路終端連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)中的井下移動終端，其特征在于包括: 至少一個前端處理器，用于接收并處理至少一個接收到的信號以提供接收到的調(diào)制碼元;MIMO RX處理器，用于根據(jù)接收機(jī)處理技術(shù)接收并處理接收到的調(diào)制碼元以提供發(fā)送信號的調(diào)制碼元的估計，并用于指示多個發(fā)送的信號的信道條件的信道狀態(tài)信息(CSI)；MIMO TX處理器，用于接收和處理來自井下移動終端的用于傳輸?shù)腃SI，并反饋給MMO基站; 裝置，被配置成包含單個或多個天線，用于與遠(yuǎn)端天線單元耦合，接收遠(yuǎn)端天線單元的已調(diào)信號并為上行鏈路發(fā)送信號；以及 裝置，被配置成具有脫網(wǎng)直通、移動定位和本質(zhì)安全型防爆功能。
【文檔編號】H04B7/04GK103888178SQ201410139183
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】張帆 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)