礦井無線中繼應急通信系統實現方法

孫繼平， 徐卿

(中國礦業大學(北京)， 北京 100083)

0 引言

礦井應急通信系統是提高救援效率、減少人員傷亡的重要工具，在煤礦事故應急救援和安全生產中發揮著重要作用[1-3]。在煤礦井下發生事故后，礦井應急通信系統仍能為井下遇險人員提供與地面調度室通信，是救災指揮部了解井下災情、被困人員位置和狀況，指導被困人員自救的關鍵裝備[4-5]。目前，煤礦沒有專用礦井應急通信系統，均采用礦用有線調度通信系統兼作礦井應急通信系統。礦用有線調度通信系統不需要井下供電，只要電纜不斷、電話不壞，就可正常工作，可靠性較高[6]。但當事故導致斷纜時，系統將不能為井下遇險人員提供與地面的通信[1]。因此，需要研究無通信電纜和光纜的礦井無線應急通信系統。

礦井透地通信系統可穿透煤巖，實現井下與地面通信。但礦井透地通信系統工作頻率低、傳輸速率低，為滿足雙向通信，需要在井下設置百余米的發射線圈，易受礦井事故災害的影響[1]。所以,礦井透地通信系統不能用于礦井應急通信。

煤礦井下無線傳輸衰減大，無線發射功率受防爆限制，傳輸距離近，難以滿足10 km傳輸距離要求[7]。為解決礦井無線傳輸衰減大、無線發射功率受限與應急通信距離遠的矛盾，文獻[1]提出了多級無線中繼的礦井應急通信系統。但Mesh等常用的自組網和無線中繼技術中繼跳數少[8-12]，難以滿足礦井應急通信數十跳的要求。因此，有必要研究礦井無線中繼通信特點、提出多達數十跳的礦井無線中繼應急通信系統實施方法，解決鏈路設計、無線信道分配、通信斷點恢復等問題。

1 Mesh自組網無線通信

Mesh自組網無線通信(以下簡稱Mesh)是近年來應用最多的多跳無線中繼通信。Mesh采用多跳路由、對等網絡等技術，具有連續動態自組網、自主管理、自我恢復等優點[8-11]。基于WiFi+Mesh的救災通信系統，移動終端由救護隊員攜帶，具有語音通信、視頻監視、環境溫度和氣體(一氧化碳、氧氣、甲烷、二氧化碳)監測及救護隊員心跳、體溫和姿態監測等功能。當無線通信距離不能滿足要求時，通過便攜式中繼器無線中繼，但中繼跳數有限，中繼距離近[13]。

礦井應急通信與礦井救災通信不同，適于救護隊員沒有到達災變現場或無法到達災變現場的條件下使用，傳輸距離遠(達10 km)。將Mesh用于礦井應急通信系統，存在著中繼跳數少、中繼距離短等問題，難以滿足礦井無線中繼10 km的要求。

Mesh具備多跳路由優化能力，在網狀拓撲結構中，通過降低網絡中的最大中繼級數，提高鏈路性能[10]。在煤礦井下，無線傳輸受巷道延伸方向限制，中繼鏈路在巷道中呈鏈狀分布，整體網絡呈樹狀拓撲結構。因此，礦井無線中繼傳輸，除冗余節點外，不存在可優化的無線路由，系統無線覆蓋范圍取決于通信網絡的最大中繼級數和無中繼無線傳輸距離。

Mesh的最大中繼級數受各級中繼節點的帶寬損失影響[10-11]。Mesh在多跳通信時，每經過一級中繼轉發，鏈路的有效帶寬均會下降；在中繼級數增加到一定程度時，丟包率顯著增加，直至無法滿足通信需求[10-11]。

礦井無線傳輸衰減大。在礦井無線發射功率(含天線增益)受6 W限制的條件下，平直巷道的無線傳輸距離一般不大于800 m[7]。巷道彎曲、分支、起伏等進一步加大了礦井無線傳輸衰減[7]。Mesh中繼跳數少，難以滿足礦井無線中繼應急通信距離的需求。

2 礦井無線中繼通信特點

礦井無線中繼通信具有如下特點：① 無線發射功率受防爆限制(不大于6 W)，礦井無線傳輸衰減大，無線傳輸距離近。② 在保證井下工作的各無線通信設備互不干擾，出井后不影響地面無線設備正常工作的前提下，工作頻段不受限制，煤礦井下無線頻譜資源豐富。③ 中繼鏈路在巷道中呈鏈狀分布，整體網絡呈樹狀拓撲結構。

煤礦井下開采深度達數百米，最深達千余米。地面無線電波難以到達井下，井下無線電波也難以到達地面。因此，僅在煤礦井下使用的無線通信設備，在保證在井下工作互不干擾，出井后不影響地面無線設備正常工作的前提下，工作頻段不受限制。因此，煤礦井下無線頻譜資源豐富。礦井無線中繼應急通信系統可充分利用煤礦井下無線頻譜資源豐富的特點，采用收發異頻全雙工和子信道頻分多路復用，通過雙工器及頻帶濾波器實現無線電信號同時和連續收發。

煤礦井下巷道呈多分支樹形結構，無線傳輸路徑狹長，鏈路中繼級數多，沒有網狀拓撲結構路由優化需求。礦井無線中繼應急通信系統的中繼站固定布置在巷道中，手機等無線終端節點移動速度慢，網絡拓撲結構及主要鏈路路由相對固定；分布于狹長巷道的無線中繼站獲取全局基站鏈接信息周期長、開銷大，時鐘同步困難，難以進行全局的協同控制。

3 礦井無線中繼應急通信系統實現方法

為解決煤礦事故造成斷纜(電纜或光纜)影響礦井應急通信系統的問題，筆者提出了礦井無線中繼應急通信系統的實現方法：將數據傳輸鏈路與協議控制鏈路分離，提高了鏈路控制的靈活性和路由協議信令的傳輸效率；鏈路中各基站的收/發頻段與子信道頻率按照基站的物理排列順序進行設置，解決了各級中繼站收發相互干擾的問題；采用系統鏈路解耦的中繼鏈路結構，鏈路中各個中繼站可與前級和后級節點進行連續的數據交換，解決了多級中繼帶來的帶寬損失、中繼時延以及系統穩定性問題；區段式空間復用的中繼站頻分子信道劃分方式，解決了頻分信道資源受限的問題；基于固定節點的透傳式路由策略,簡化了逐級路由尋址和路由發現過程，提高了數據轉發效率；正常鏈路的冗余基站下掛式路由策略，避免了主節點和冗余節點混合傳輸帶來的信道干擾問題；冗余基站、移動終端橋接、本地接入協同的鏈路斷點恢復方法，提高了鏈路的抗故障能力。

3.1 數據傳輸鏈路與協議控制鏈路分離

為提高礦井無線中繼應急通信系統鏈路控制的靈活性和路由協議信令的傳輸效率，在異頻全雙工收發和頻分子信道多路復用的基礎上，筆者提出了將數據傳輸鏈路與協議控制鏈路分離的系統結構。在各中繼站中，協議控制專用信道由2個窄帶高靈敏度無線電收發機構成，對其進行分時接入；數據傳輸信道由多個獨立的寬帶無線電收發機構成，對其按頻分子信道復用方式進行分頻接入。在無線鏈接質量良好時，協議控制專用信道專用于傳輸組網與路由維護相關信令，數據傳輸信道專用于用戶數據收發；在信道質量不足以滿足數據傳輸鏈路的信息傳輸帶寬時，僅將協議控制專用信道對應的無線電收發單元接入射頻鏈路，將其復用為數據傳輸鏈路，用于傳輸窄帶字符及重要數據信息。中繼站頻譜與信道分配如圖1所示。

圖1 中繼站頻譜與信道分配Fig.1 Spectrum and channel allocation of relay stations

3.2 數據鏈路中繼傳輸方法

在上述中繼站的頻譜與信道分配的基礎上，筆者提出了礦井無線中繼應急通信系統的數據鏈路中繼傳輸方法。鏈路中各基站的收/發頻段與子信道頻率按照基站的物理排列順序進行設置，如圖2所示，圖中物理位置標號為1,2,…,i,i+1,i+2,…,N(i為奇數，N表示基站的最大位置編號)的中繼站依次安裝于礦井巷道中。

利用雙工濾波器的頻段隔離特性，各中繼站的CHA、CHB頻段的收/發模式按如下規則進行設置：物理位置標號為1,3,…,i,i+2,…,N1(N1表示基站的最大奇數位置編號)的中繼站采用CHA頻段接收，CHB頻段發射；物理位置標號為2,4,…,i+1,i+3,…,N2(N2表示基站的最大偶數位置編號)的中繼站采用CHB頻段接收，CHA頻段發射。

利用礦井巷道無線衰減大及傳輸距離近的特點，筆者提出了區段式空間復用的中繼站頻分子信道劃分方式，解決了頻分信道資源受限的問題。不處于分支巷道交匯處的各無線中繼站，其CHA、CHB頻段中所使用的頻分子信道按基站的物理安裝順序，以CHB1和CHB3發、CHA1和CHA3收，CHA1和CHA2發、CHB1和CHB2收，CHB2和CHB3發、CHA2和CHA3收，CHA1和CHA3發、CHB1和CHB3收，CHB1和CHB2發、CHA1和CHA2收，CHA2和CHA3發、CHB2和CHB3收進行循環分配，各個頻分子信道的收/發方式由其所處頻段的收發規則決定。

圖2 數據鏈路中繼Fig.2 Data link relay

中繼站的兩頻段CHA和CHB收/發間隔設置，設置為發射頻段內的2個頻分子信道用于向前級和后級節點發送數據；設置為接收頻段內的2個頻分子信道用于接收來自前級和后級節點的數據。前級和后級節點的發送和接收數據流與中繼站本地待收和待發數據流由中繼站的基帶單元，按路由協議進行集中數據交換，實現中繼站的數據轉發及本地數據的上傳與下載，完成數據鏈路中繼傳輸功能。

區段式空間復用的中繼站頻分子信道劃分方法將中繼鏈路按節點間關系分解為獨立子鏈路，各個獨立子鏈路雙工收發，信道頻分復用，彼此間互不干擾。利用礦井巷道無線衰減大及傳輸距離近的特性，對中繼站的頻分子信道進行每3個站循環復用，解決了頻分信道資源受限的問題。各個中繼站可連續與前級和后級節點進行數據交換，減少了多級中繼產生的累計傳輸時延，解決了多級中繼產生的帶寬損失及中繼級數受限問題。

固定安裝在巷道中的各基站僅需要在基站安裝后，按上述方法進行一次頻段分配。正常工作時，不改變其收發頻段及頻分子信道與前級和后級節點的對應關系，不需要與前級和后級節點進行收發時序及信道切換的協同配合，實現了各子鏈路的控制解耦。采用數據鏈路中繼傳輸方法的中繼站不需要進行時鐘同步，任何一個子鏈路失效不會對其他子鏈路產生干擾。各中繼站僅需要將斷開鏈路的中繼數據進行緩存，在信道恢復時，恢復數據的轉發，實現鏈路失效重連，提高了系統穩定性。

3.3 頻分子信道復用

為解決頻分信道資源受限的問題，利用礦井巷道無線傳輸距離近的特點，對各節點的頻分子信道進行區段式空間復用。單一巷道數據鏈路信道復用方式如圖3所示，在無分支巷道的單鏈路中繼系統中，考慮中繼站傳輸距離覆蓋左右各2個節點的情況下，各頻段僅需要分配3個子信道用于無線中繼鏈路，1個子信道用于協議控制鏈路。

多分支巷道數據鏈路頻分子信道復用方式如圖4所示，各基站標號前置數字代表巷道編號，后置數字代表同巷道中基站排列編號。其中標號為1-i的中繼站位于分支節點處，包含主巷道在內共有4個獨立的鏈路方向，1-i中繼站CHA/B頻段中各劃分有4個子信道用于無線中繼鏈路，其中CHA4/CHB4、CHA5/CHB5分別用于鏈接2分支巷道的2-1、3-1中繼站，其余各基站子信道復用方式與單鏈路中繼保持一致。因此，系統所需頻分子信道的最大值由礦井巷道最大分支數決定。在分支巷道最大分支數確定的情況下，系統最大中繼級數不會受頻分子信道的數量限制。

圖4 多分支巷道數據鏈路信道復用方式Fig.4 Multi-branch roadway data link channel multiplexing mode

3.4 基于固定節點的透傳式路由策略

為解決多級無線中繼逐級路由尋址和路由發現帶來的鏈路開銷問題，結合井下無線傳輸距離近、傳輸方向單一且確定、基站固定安裝的特點，提出了基于固定節點的透傳式路由策略。煤礦井下固定安裝的各無線中繼站形成了相對穩定的主鏈路路由拓撲結構，可以按照礦井巷道的延伸方向將路由簡單地劃分為上行/下行結構。信息源節點需要根據存儲器中的固定節點路由表，明確目標節點相對于本節點的上行和下行位置，在數據包頭附上目標節點的設備號后，直接向目標傳輸路徑所在方向的子鏈路進行透傳式發送。

除分支巷道口處的中繼節點外，其他各級中繼節點無需進行逐級路由尋址，僅需對數據包頭的設備號進行滑動窗口過濾。非本機接收的數據包，在進行完整校驗后將直接采用透傳方式通過子鏈轉發給下一級節點。在數據包轉發至分支節點時，由分支節點根據路由表進行分支巷道方向的判斷，選擇對應巷道方向的子鏈進行透傳轉發。目標節點在轉發數據流時，滑動檢索到數據包頭為本機設備號，在進行完整的數據包接收和校驗后，將目標數據從中繼數據流中下載下來，釋放數據流。為保證數據的可靠傳輸，在進行數據包校驗后，由路由控制鏈路向前一級節點反饋ACK信令，完成數據收發的全過程。基于固定節點的透傳式路由策略簡化了逐級路由尋址和路由發現過程，提高了數據轉發效率，減小了協議對鏈路的開銷。

路由轉發如圖5所示，節點采用巷道標號-設備標號的形式進行標記，圖中舉例描述了在多分支巷道中，2-89節點向1-94節點發送數據及1-57節點向3-80節點發送數據的完整路由路徑。

3.5 鏈路斷點路由恢復方法

煤礦井下發生事故后，受爆炸沖擊波、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、頂板冒落等影響，巷道中的無線天線、射頻饋線、有線電纜和光纜、基站設備等會發生損毀，頂板冒落物會造成無線傳輸損耗增大，原有無線鏈路預算可能無法滿足傳輸要求，在數據鏈路中形成通信斷點和信息孤島。礦井應急通信系統應具有抗災變能力，當出現通信斷點和信息孤島時，能快速自組織和自恢復，將未損毀節點盡可能快速重組，并充分利用可鏈接的有線或無線鏈路打通通信斷點。

圖5 路由轉發Fig.5 Routing forwarding

為提高鏈路的抗故障能力，筆者提出了冗余基站、移動終端橋接、本地接入協同的鏈路斷點路由恢復方法。冗余基站掉線不影響中繼鏈路，非連續主鏈路中繼站掉線，冗余基站直接替換；發生多個連續基站掉線時，采用單個或多個移動終端透傳橋接鏈路斷點；兼容有線通信鏈路，有線鏈路斷點處的無線中繼站將有線鏈路數據作為本地數據進行中繼轉發。

3.5.1 固定基站冗余鏈路自恢復

為防止單一節點損壞導致通信中斷的情況，分布于巷道中的各個固定無線基站采用冗余布置，每個無線基站至少可與左右任意方向的2個基站節點進行通信。在礦井巷道發生災害事故后，若鏈路中發生非連續性節點掉線，或無線傳輸未發生完全阻塞時，可利用各基站的鏈路冗余度接替原有掉線設備或打通阻塞區域。

為減小中繼級數帶來的傳輸開銷，中繼鏈路中的冗余節點以終端模式掛載于前一中繼節點上，在前級中繼節點正常時不參與中繼數據轉發，避免了主節點和冗余節點混合傳輸帶來的信道干擾問題。當發生中繼鏈路非連續性節點失效時，臨近節點將對其進行原工作狀態校驗：若失效節點為以終端模式掛載于前級中繼的冗余節點，則不影響正常雙工數據傳輸；若失效節點為用于中繼數據傳輸的中繼節點，以終端模式掛載在其上的冗余節點在判斷原中繼節點失效時，應立即將原中繼節點的工作模式應用于本機，物理層收發頻率和信道選擇與原中繼節點保持一致，直接轉接原中繼節點的中繼數據流，實現不影響原中繼數據鏈路的冗余節點無縫切換。

在完成上述操作后，臨近節點需向鏈路的源節點發送局部路由維護信令，報備失效節點信息，完成路由維護功能。

3.5.2 移動終端節點的橋接恢復

當連續發生多個主中繼節點及冗余節點損壞時，首先嘗試由終端節點進行直接的中繼橋接。處于鏈路斷點處的終端節點，將向鏈路斷點區域內的中繼站發送組網請求信令，若成功與處于斷點區域內的中繼站進行握手鏈接，表明已成功繞過失效區域節點，鏈接了原有中繼鏈路。此時，掛載終端節點的前一級中繼站將向該節點發送臨時中繼信令，由該終端節點轉發主鏈路的中繼數據，實現單級終端的直接橋接恢復。

當單個移動終端節點進行了一段時間的重連嘗試后，判斷其無法直接與原有中繼鏈路建立鏈接時，處于鏈路斷點處的終端節點需要向其他終端節點發送組網請求信令。鏈路中斷區域中的各終端節點，在與其進行組網握手鏈接后，將判斷是否可以與中斷區域內的中繼站進行鏈接。若無法進行鏈接，將轉發該信令，繼續進行組網請求。若可與斷點區域內的中繼站進行有效鏈接，將由位于斷點下行方向的終端節點向鏈路上行方向的終端節點進行信令回傳，直至鏈路上行方向斷點處的中繼站。由該基站將根據回傳的信息向與其鏈接的終端節點發送臨時中繼信令，各個終端節點根據該信令進行雙向數據透傳轉發，恢復通信斷點區域的數據傳輸，實現多級終端的橋接恢復。

在多級終端節點仍無法恢復原有鏈路時，需通過掛載于通信斷點附近的移動終端節點采用人工移動或自主移動的方式接近通信斷點所在區域，在移動過程中進行實時路由發現，通過嘗試終端節點的移動補位，恢復鏈路斷點鏈接。在2個或多個終端節點通過路由發現重組斷點鏈接時，根據上述規則，通過終端節點對的數據透傳，完成通信斷點的橋接恢復。

移動終端節點的橋接鏈路恢復主要包含無線電斷點補位導航、自組網鏈路擴展、橋接數據透傳3個功能單元。其中，無線電斷點補位導航主要用于引導移動終端節點通過人工移動或自主移動的方式向通信斷點區域深入。各移動終端節點首先通過查詢全局路由表，根據所鏈接的無線中繼站路由信息確定所在巷道區段，向該無線終端攜帶人員或移動裝置提供移動方向導航信息。根據該無線終端節點與固定基站通信的信號強度RSSI，預估其所在巷道區段的位置，向該無線終端攜帶人員或移動裝置提供移動距離導航信息。

自組網鏈路擴展通過終端節點移動過程中的組網發現與組網握手嘗試與通信斷點所在區域的任意節點進行鏈路連接。在終端節點移動過程中，通信斷點所在區域的任意固定中繼站成功與其進行組網握手，則表明已打通斷點區域內的部分鏈路，此時將該信息反饋至終端節點圖形化顯示界面或移動設備載體，終止本次無線電斷點補位導航；當終端節點移動至鏈路預算最大范圍附近，或由于物理障礙無法繼續前進時，仍未與通信斷點所在區域的任意節點進行組網握手，則表明無線通信中斷距離大于單級無線中繼的傳輸距離，終止本次無線電斷點補位導航，進一步深入的補位動作由其他可移動終端節點實現。

在各移動終端節點完成中繼斷點區域的自組網鏈路擴展后，由于路由關系不確定，為防止路由關系頻繁變化影響鏈路傳輸的可靠性，不對各移動終端節點進行全局路由維護。處于原通信斷點區域內的各移動終端節點將根據新建立的組網鏈接關系進行雙工數據透傳，完成對原有鏈路的數據橋接。

3.5.3 本地有線接入協同

為有效兼容礦井中現有的有線通信鏈路，同時不破壞無線中繼路由協議，將無線中繼站作為終端設備，通過以太網交換機掛載于礦井下的以太網中[14]，各中繼站的IP由以太網交換機進行分配。鏈路中各固定基站在進行無線中繼數據傳輸的同時，將由本地產生的收發數據，通過接口發送至以太網交換機，經數據流IP封裝后進行上行傳輸；以太網交換機將以太網中的有效數據，根據設備IP地址進行數據分揀與解包，將處理好的數據通過接口回發至中繼站，實現中繼站與以太網的雙向數據交換。

無線中繼系統為串級傳輸鏈路，每級中繼站收發的數據中，僅有少數為有效的本機收發數據，絕大部分為轉發內容。為避免各中繼站向以太網收發大量的重復數據，增加鏈路傳輸及處理負擔，在鏈路正常時，各中繼站僅將本機新產生與待接收的數據與以太網進行數據交換，不對其他設備的轉發數據進行有線鏈路傳輸。

在有線鏈路發生中斷時，位于斷點處的以太網交換機將檢測到以太網數據傳輸超時，交換機將超時的數據轉發至位于有線鏈路斷點處的無線中繼站，中繼站將該數據作為本地數據進行中繼轉發，中繼傳輸方向與有線鏈路中斷方向保持一致，各級中繼站在接收到該轉發數據時，都將按照原路由信息進行本地有線傳輸請求，若未發生有線傳輸超時則表明有線鏈路已于該節點處恢復，此時將不再對其進行無線中繼轉發；若本地傳輸請求仍超時，則繼續進行無線中繼轉發，直至將該數據發送到目標節點。

當無線鏈路發生中斷時，位于斷點處的中繼站將檢測到無線中繼數據傳輸超時，此時中繼站將不區分是否為本機數據，將中繼鏈路的收發數據統一接入至以太網交換機，以太網交換機根據數據包中的設備地址對其進行IP封裝，由以太網進行有線鏈路的數據傳輸。位于無線鏈路斷點區域中的中繼站，由該區域中的以太網交換機按照數據包的IP地址進行分揀解包，并分發給對應中繼站，恢復原有的無線數據鏈路傳輸。

在語音數據的接收處理方面，由于有線/無線鏈路數據到達各個節點的時間不同步，為充分利用雙鏈路數據的傳輸帶寬，同時減少數據質量評判與鏈路切換控制開銷，采用數據池對語音數據流進行連續的接收緩沖。各節點在收到來自有線/無線鏈路的語音數據包時，解析后不立即進行播放，將其存儲于播放緩沖區，采用固定的延遲時間進行滯后播放，形成待播放的數據池。緩沖區中的數據不區分其有線/無線鏈路來源，按語音數據包的采集順序標簽進行排序，在任意鏈路的語音數據流發生滯后、誤碼、丟包時，可由緩沖區的對應鏈路數據進行彌補，從而有效提高語音播放的連續性與可靠性。

4 結論

(1) 礦井無線中繼通信具有如下特點：① 無線發射功率受防爆限制(不大于6 W)，礦井無線傳輸衰減大，無線傳輸距離近。② 在保證井下工作的各無線通信設備互不干擾，出井后不影響地面無線設備正常工作的前提下，工作頻段不受限制，煤礦井下無線頻譜資源豐富。③ 中繼鏈路在巷道中呈鏈狀分布，整體網絡呈樹狀拓撲結構。

(2) 提出了礦井無線中繼應急通信系統的實現方法：將數據傳輸鏈路與協議控制鏈路分離，提高了鏈路控制的靈活性和路由協議信令的傳輸效率；鏈路中各基站的收/發頻段與子信道頻率按照基站的物理排列順序進行設置，解決了各級中繼站收發相互干擾的問題；多射頻全雙工收發、頻分信道復用的中繼站架構、前后級中繼站獨立且固定的頻分信道分配方式使系統鏈路解耦，鏈路中各個中繼站可與前后級節點進行連續的數據交換，解決了多級中繼帶來的帶寬損失、中繼時延以及系統穩定性問題；區段式空間復用的中繼站頻分子信道劃分方法解決了頻分信道資源受限的問題；基于固定節點的透傳式路由策略簡化了逐級路由尋址和路由發現過程，從而提高了數據轉發效率；正常鏈路的冗余基站下掛式路由策略減小了中繼級數帶來的傳輸開銷，避免了主節點和冗余節點混合傳輸帶來的信道干擾問題；冗余基站、移動終端橋接、本地接入協同的鏈路斷點恢復方法提高了鏈路的抗故障能力。