一种多模式矿井移动通信系统的制作方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】一种多模式矿井移动通信系统
【技术领域】
[0001]本发明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。
【背景技术】
[0002]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MMO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MMO系统采用传统的蜂窝结构，将基于MMO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MMO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。
【发明内容】
[0003]本发明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。
[0004]本发明采用的技术方案是: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MMO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、MMO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MMO天线的MMO通信网关和远端天线单元处理SISO信号；在MMO模式中，系统通过所述分布式MMO天线的MMO通信网关和远端天线单元组处理MMO输出信号；在混合模式中，系统通过所述分布式MMO天线的MMO通信网关与天线单元组处理SISO和MMO输出信号。
[0005]所述MMO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；ΜΙΜ0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。
[0006]所述MMO基站和所述SISO基站分别与所述分布式MMO天线的MMO通信网关相耦合，并且通过加法电路将MMO信号和SISO信号组合后通过MMO通信网关选择性地与远端天线单元进行通信。
[0007]所述系统实现天线选择的方法步骤包括:
[0008]第一步:ΜΜ0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 — RSS⑴[i]；
[0009]第二步:ΜΜ0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]；
[0010]第三步:ΜΜ0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
【权利要求】
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、MMO模式和混合模式工作:在SISO模式中，系统通过所述分布式MMO天线的MMO通信网关和远端天线单元处理SISO信号；在MMO模式中，系统通过所述分布式MMO天线的MMO通信网关和远端天线单元组处理MMO输出信号；在混合模式中，系统通过所述分布式MMO天线的MMO通信网关与天线单元组处理SISO和MMO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MMO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MMO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MMO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MMO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)MMO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一，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(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所述的系统的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通信网关配置成用于提供井下无源光网络的网络终端功能和各种端口接入和通信。
5.根据权利要求1所述的系统中或权利要求3所述的光链路，其特征在于包括: 光纤，其特征在于，所述光纤用于在不同波长上传输上行链路信号和下行链路信号，并且被配置成工作波长为λ I = 1490nm和λ2 = 1310nm的长波长单模光纤； 波分复用器，其特征在于，所述波分复用器采用1: n(2<n<32)分光比波分复用，并被配置为对所述光纤上的所述上行链路信号和所述下行链路信号进行滤波分路和聚合；以及 所述光链路传输信号包括经 调制的数字信号或光纤无线电(RoF)载波信号。
6.根据权利要求1所述的系统中的MIMO基站，其特征在于包括: 选择器，通过对远端天线单元进行功率分配和天线选择，以选择一个或多个用于数据传输的井下移动终端； 控制器，接收指示一个或多个选定的井下移动终端的信道条件的信道状态信息(CSI)，并基于接收到的CSI提供一个或多个控制、工作状态监控和告警信息上报； 处理器，用于处理一个或多个选定的井下移动终端的数据并编码、调制和扩频以及信令处理以提供多个调制码元流； 调制器，用于为多个调制码元流生成多个已调信号；以及 装置，被配置成具有光接口和井下防爆功能。
7.根据权利要求1所述的系统中的分布式MIMO天线，其特征在于包括: MIMO通信网关，用于动态地将系统从SISO模式切换到MMO模式和混合模式，其内置混合式耦合器和加法电路，正交耦合MIMO输入信号以及完成MIMO预编码处理，并通过加法电路将SIMO基站信号和MIMO基站信号进行组合后被配置成至少接收所述耦合器的输出信号; 远端天线单元，用于与所述MMO通信网关进行通信，将已调信号发送到一个或多个选定的井下移动终端，每个远端天线至少包括一个射频天线。
8.根据权利要求7所述的分布式MIMO天线，其特征在于包括: 所述MMO通信网关被配置成基于CSI处理的包含混合式耦合器、加法电路、基带处理器、MIMO处理器、数字IF处理器和多个光纤接口的装置，并通过光链路与远端天线单元进行通信； 所述MMO通信网关内置的混合式耦合器为3db的正交耦合器，并且被配置为在多个输出端口上输出多个输出信号，构成所属多个输出信号的所述第一信号和所述第二信号中至少一个相对另一个是正交相移的；以及 所述远端天线单元被配置为使用相同的载波频率、相同的时隙和相同的码道，并包含信道FFT/IFFT、循环前缀发生器、数字IF处理上变频器、功放和滤波的射频电路。
9.根据权利要求1所述的系统的所述井上调度装置，其特征在于包括: 调度控制服务器，被配置成包含控制模块、直通模块和定位信息，用于当井下基站出现故障或光纤断裂时的井下井下移动终端之间的应急通信，并通过以太网接口与所述光线路终端连接； 移动定位网关，用于井下移动终端定位以及对井下人员和机车的定位、监测功能，并通过以太网接口与所述光线路终端连接；以及 以太网交换机，用于所述系统与地面通信网络的互联，并通过以太网接口与所述光线路终端连接。
10.根据权利要求1所述的系统中的井下移动终端，其特征在于包括: 至少一个前端处理器，用于接收并处理至少一个接收到的信号以提供接收到的调制码元;MIMO RX处理器，用于根据接收机处理技术接收并处理接收到的调制码元以提供发送信号的调制码元的估计，并用于指示多个发送的信号的信道条件的信道状态信息(CSI)；MIMO TX处理器，用于接收和处理来自井下移动终端的用于传输的CSI，并反馈给MMO基站; 装置，被配置成包含单个或多个天线，用于与远端天线单元耦合，接收远端天线单元的已调信号并为上行链路发送信号；以及 装置，被配置成具有脱网直通、移动定位和本质安全型防爆功能。
【文档编号】H04B7/04GK103888178SQ201410139183
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】张帆 申请人:中国矿业大学(北京)