一种适用于矿下定位系统的时隙自适应调整与调度方法与流程

本发明涉及时隙自适应调整与调度方法技术领域，尤其涉及一种适用于矿下定位系统的时隙自适应调整与调度方法。

背景技术：

煤矿生产多为地下作业，具有复杂的地理环境，空间狭窄，工作环境恶劣，时刻都有发生事故的可能，而矿工作为井下移动目标的主要对象，就是在这种环境下工作。此外，环境中多种布线，包括电力线路、数据传输电缆以及各种运行的设备，在错车道口经常发生阻塞，使得运输效率降低。另外由于运输巷道较长，若调度人员不能及时了解人员和车辆的位置信息和运行情况，就会增加指挥的盲目性。矿下生产的安全性须由一套严格、全面、规范的管理系统来全面掌控矿下作业情况，充分应对可能发生的危险情况。

目前商用的定位系统一般采用移动节点能量探测的方式来获取矿工的位置信息，巷道中每隔一段距离配置一个无线基站，当矿工接近基站的时候获取其身份信息，并估计其所处位置，因此定位的精度与基站的密集程度有关，基站数量越多，精度越高，但是为了考虑整体成本，一般采用区域定位，分散布置基站的方式，很难达到高精度的定位。而基于射频飞行时间差的定位方式虽然能实现可靠的精度，但是其节点的功耗较高，这个缺点限制了其在矿下的应用。

从实际应用角度进行分析，首先，矿下安全生产监控对通信系统的可靠性要求非常高，网络系统还要兼顾实时性、环境适应性和多源信息的融合与传输功能，这些实际需求都增加了技术实现的难度。再次，由于矿下定位节点一般采用电池供电，节点的功耗问题需要着重考虑，目前商用的矿用定位方案一般会采用对信号强度的获取与处理来估计矿下人员的位置信息，这种方式很容易受到外界环境的影响，比如遮挡、信号的反射等。另外，基于射频飞行时间差的定位方式虽然能实现可靠的精度，但是其节点的功耗较高。最后，矿下员工处于不同工作区时，运动状态不同，若采用同样的测距频率，会造成功耗增加，接入各个基站的定位节点固定在一个位置，容易产生累计误差。因此，在充分考虑矿下定位系统的特点与需求后，本发明提供一种适用于矿下定位系统的时隙自适应调整与调度方法。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种适用于矿下定位系统的时隙自适应调整与调度方法，应用于结合低功率惯性传感器测步与无线测距的混合定位系统中，充分利用时隙的自适应动态分配，实现定位精度与功耗的平衡。

为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于矿下定位系统的时隙自适应调整与调度方法，该方法基于时分复用的数据包调用方式，根据实际的节点数量动态调整相关参数，以避免数据冲突，同时将传输过程划分为若干可变时隙，移动节点的接入时间由待传输的数据长度以及计算出的偏移时间决定；为避免计步测距方式引起的累积误差，采用基于时间差测距的方式来进行精确位置的获取，进而有效的检验矿下员工的行进状态；

所述一种适用于矿下定位系统的时隙自适应调整与调度，该方法具体内容包括以下步骤：

步骤一：对通信帧进行格式定义；

所述对通信帧进行格式定义包括以下步骤：

(1)在数据包中加入时间信息，以保证多源数据的同步性；

(2)通过定义mac帧中的数据字段来表示不同的帧格式；

(3)完成对通信帧的格式定义。

步骤二：根据时隙分配算法，给定位节点重新分配接入时隙；

所述的时隙分配算法，包括以下步骤：

(1)计算网络的基站设备中用来表示已被安排占用的时间信息集合p^m；

(2)在基站设备收到移动定位节点的计步数据之后，通过删除已经使用的时间来更新p^m，构建一个新的时间信息集合来表示下一个时间调度表，完成接入时隙重新分配；

(3)当一个新的移动定位节点想要加入新基站时，基站设备记录下其预期接入的时刻，构造一个根据之前调度信息调整之后的时间信息集合完成接入时隙重新分配。

步骤三：保证数据传输的可靠性。

所述保证数据传输的可靠性，其内容包括：

(1)当数据传输正确时，基站向移动定位节点发送信标帧并开启定时器，经过一个由应用层决定的数据等待周期tdwd后，定时器超时失效；网络中的移动定位节点使用经过计算的发送功率向基站设备发送计步数据，并开启超时定时器，经过ack等待周期tawd后，定时器超时失效；在数据等待周期tdwd内定时器超时失效前，若基站接收到计步数据，则通信成功，一个通信循环完成；移动定位节点收到ack应答帧后，关闭并清零ack等待周期定时器；

(2)当数据传输出现错误时，主要有丢失计步数据帧和丢失应答帧两种情况；此时，移动定位节点不清零计步数据，在收到重新安排通信时隙命令之前，一直按现有时隙规则安排通信、睡眠和接入时刻。

基于时隙自适应调整与调度方法进行精确位置的获取，有效的提高了矿下定位系统的精度，并降低了系统功耗。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种适用于矿下定位系统的时隙自适应调整与调度方法，与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明基于时隙自适应调整与调度方法的矿下定位方法，采用混合定位算法估计人员位置，普通巷道区测距频率采用高速模式测距，掘进工作区采用低速模式测距，且移动节点关闭计步测距，避免累计误差，能够达到高精度的定位，而且降低整体功耗；针对接入时隙的不确定性，本发明的偏移时间长度也按需动态调整，采用基于时间差测距的方式来进行精确位置的获取以去除累计误差。

本发明应用于检测矿下员工行进状态，实现定位系统高精度、低功耗的需求。采用结合低功耗惯性传感器测步与无线测距的混合定位方法，平衡精度和功耗的关系；为提高数据传输效率，使用基于时分复用的可实时调整的数据包调度方法，将传输过程划分为若干可变时隙；通过基于时间差测距的方式来进行精确位置的获取以去除累计误差。

本发明能实现时隙的自适应调整和调度，根据所处煤矿功能区的不同，相关节点的定位流程也存在差异，有利于节省功耗；易于实现，完全满足定位系统的实际需求。

附图说明

图1为通信循环的时隙安排；

图2为移动定位节点流程图；

图3为无线基站设备流程图；

图4为移动节点与基站数据交互传输过程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述与说明。

为了降低不必要的节点功耗，本发明将测距频率分为高速模式与低速模式，当佩戴节点的员工处于普通巷道区域的时候，测距的频率采用高速模式，此时采用混合定位算法估计人员位置；当佩戴节点的员工处于掘进工作区的时候，此时大部分的时间位置相对固定，因此测距频率采用低速模式，同时为避免累积误差，移动节点关闭计步测距，以降低整体功耗。在巷道行进区域，由于人员的移动，接入各个基站的定位节点也是动态变化的，为此，时隙的调度方法要能根据实际的节点数量动态调整相关参数，以避免数据冲突。基于时分复用(tdma)的数据包调度方式可以最大程度的降低节点发送数据冲突的几率，同时还可以有效降低节点的能量消耗。为了提高数据传输的效率，本发明提出了一种基于时分复用的可实时调整的数据包调度方法。该方法将传输过程划分为若干可变时隙，移动节点的接入时间由待传输的数据长度以及计算出的偏移时间决定。本发明将无线节点传输一个byte所需的时间定义为时隙调整的基本单位(tsu)，特别的，当选取的无线通信速率为250kb/s时，每个基本单位为32微妙。

实际网络运行过程中，在矿井的入口处，定位节点通过竞争接入的方式加入异构网络，系统通过地址信息匹配对应的身份信息，同时基站设备按照先接入先分配的原则安排节点的接入时隙，并向其通信范围内的移动节点发送带有分配时隙信息的数据包，此后在节点接收到下一条时隙安排命令帧之前，该定位节点都按照给定的时隙与基站进行通信。移动定位节点加入网络后，会在给定的时隙进入监听的工作状态，当接收到基站设备发送的信标帧后上传自己的计步数据信息。为了避免计步测距方式引入的累积误差，每隔一段时间之后系统会进行一次距离校准。对于已经注册进入网络的定位节点来说，每个通信循环被划分为5个不同的数据交互周期。通信循环的时隙安排如图1所示，每个通信循环具体包含4个计步数据上传周期dup和1个tof校正周期tofp。每个周期由工作时间与睡眠时间构成，为了保证接入时隙的动态可调，睡眠时间段中还包含一定的偏移时间域。由于接入时隙的不确定性，本发明的偏移时间长度也按需确定，即每个周期的偏移时间也是可以动态调整的。本发明采用基于时间差测距的方式来进行精确位置的获取以去除累积误差。为了避免由于通信过程中出现的交互不成功而导致无法进行距离估计的情况，基站设备会记录移动节点的历史位置数据，通过之前周期的记录来估计实际位置，当新的校准周期数据上传后再更新相应节点的位置。

本发发明的一种适用于矿下定位系统的时隙自适应调整与调度方法，该方法具体内容包括以下步骤：

步骤一：对通信帧进行格式定义。

为了相关算法在实际应用中的可移植性，本发明通过定义mac帧中的数据字段来表示不同的帧格式。如表1至表4所示，表中数值的基本单位为byte，本发明方法中的每种帧都有相对固定的格式。

值得注意的是，本发明中的相关位域根据功能的不同需求有细微差别，如源节点地址位域段、目标节点地址位域段、通信频段位域段、时间偏移位域段和计步数据位域段。其中，帧类型字段规定了信标帧、ack帧、nack帧、数据帧四种帧类型；源节点地址位域段代表发送数据节点的地址；目标节点地址位域段代表待接收数据节点的地址；通信频段位域段代表下次通信时所使用的无线信道编号；时间偏移位域段，主要用来匹配周期的动态接入时隙；计步数据位域段代表重置计步数据后累积的计步值。

表1通用帧格式

表2ack/nack应答帧格式

表3数据帧格式

表4信标帧格式

步骤二：根据时隙分配算法，给定位节点重新分配接入时隙。

节点的接入时间是由与之通信的基站动态分配的。为了保证定位节点的无缝漫游，基站设备不仅要记录其覆盖的定位节点的调度信息，还要通过主干网共享相邻基站的调度信息。网络中的基站设备中均保存了一个用来表示已被安排占用的时间信息集合pm，表达式如式(1)：

其中，m表示基站设备的识别地址信息；表示由基站设备安排的时间信息集合，其具体数学表达式见(2)；j表示在第m个基站设备射频覆盖内与定位节点交互的第j个子集合；

其中，tf为固定睡眠周期时间；为偏移时间；为帧传输所花费的时间，由帧长度决定；为第j个定位节点接入的时刻。

在以下两种情况下，无线基站设备会给定位节点重新分配接入时隙：

情景1，在收到移动定位节点的计步数据之后。

当基站设备接收到计步数据之后，通过删除已经使用的时间来更新p^m，假设移动节点i与基站设备m通信，则该流程可表示为p^m＝p^m-pi^m，时隙的结束时间可以表示为记作此时构建一个新的时间信息集合来表示下一个时间调度表，算法描述见表5。

表5算法1

情景2，当一个新的移动定位节点想要加入新基站时。

当一个移动节点要加入第m个基站时，该基站记录下其预期接入的时刻，通过主干网获取该节点之前的通信时隙信息，并构造一个根据之前调度信息调整之后的集合，新的时间信息集合可以表示为算法流程见表6。特别的，当pm确定以后，基站设备会根据最新的pm计算并确定对应节点的时隙资源分配。

表6算法2

步骤三：保证数据传输的可靠性

由于无线射频暴露在巷道空间，开放的传输介质无法保证数据的传输从源端完全正确的到达目的端，因此有必要设计当通信帧丢失后的处理方案，以保证数据传输的可靠性。本发明的数据传输中移动定位定位节点流程如图2所示，无线基站设备流程如图3所示。

在数据正确传输的情况下，该设计中的移动定位节点与基站数据交互传输过程如图4所示，具体可分为4个步骤：

(1)基站设备向移动定位节点发送信标帧，同时基站开启定时器，等待接收来自移动定位节点的数据帧。经过一个由应用层决定的数据等待周期(称为tdwd)后，定时器超时失效，其中等待周期的基本单位采用tsu。

(2)移动定位节点通过侦听到的信标帧来获取接收信号强度的值，进而计算出路径损耗值。网络中的移动定位节点使用经过计算的发送功率向基站设备发送计步数据，同时开启超时定时器进行计时，经过一个预先设定的ack等待周期(称为tawd)后，定时器超时失效，其中等待周期的基本单位采用tsu。

(3)在数据等待周期tdwd超时失效之前，如果基站设备应用层能接收到从移动定位节点发送过来的计步数据，代表通信成功，一个通信循环完成，同时关闭并清零数据等待周期定时器，基站设备向移动定位节点发送ack应答帧，该帧中包含相应节点的通信时隙安排信息。

(4)定位节点收到ack应答帧后，关闭并清零ack等待周期定时器，记录由基站设备安排的通信时隙，重新计步。在下一个应答帧之前，按现有时隙规则安排通信、睡眠和接入时刻。

当数据传输出现错误时，主要有以下两种情况：

(1)丢失计步数据帧。如果基站的数据等待周期定时器在超时失效之前仍没有收到计步数据帧，表示本次数据传输失败。此时，为了通知移动节点通信状态，基站设备下发带有时隙安排的应答帧，如果在超时计时器溢出之前接收到了该帧，移动定位节点关闭并清零ack等待周期定时器，并记录下由基站设备安排的时隙信息。这种情况下，移动定位节点不清零计步数据，在收到重新安排通信时隙命令之前，一直按现有时隙规则安排通信、睡眠和接入时刻。

(2)丢失应答帧。在数据传输过程中，无论是否接收到计步数据帧，都会下发ack/nack应答帧，每个移动定位节点内部都有一个ack等待周期定时器用来对数据传输的过程计时，假如该计时器超时之前未收到ack/nack应答帧，则说明本次通信未成功。这种情况下，移动定位节点不清零计步数据，在收到重新安排通信时隙命令之前，一直按现有时隙规则安排通信、睡眠和接入时刻。

应当理解的是，以上的一般描述和细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。