基于干扰管理的井下机车无线通信方法

基于干扰管理的井下机车无线通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于井下机车和基站之间无线通信的干扰管理方法，属于移动无 线通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 在矿井机车无人驾驶系统中提高井下安全可靠性的前提是井下机车信息的实时 获取和处理，所W在百兆W上带宽的无线移动通信基础上，机车的动态接入和井下视频的 实时传输是技术的关键。公网通信基站的数据传输方向W下行为主，即基站向用户发送信 息。而井下机车无人驾驶系统中，数据的传输方向则W上行为主，即机车实时向基站上传车 载摄像头获取的井下视频信息和机车状态信息。目前井下机车无线通信采用的是预留带宽 方式，该方式效率较低且无法精确控制，导致基站（accesspoint,A巧资源浪费，机车调度 时间间隔长，运输效率低。所WAP的合理排布和对机车接入的合理调配是提高井下运输效 率和稀缺网络资源利用率的重要手段。
[0003] 干扰管理（InterferenceManagement,IM)是无线频谱资源管理的一种方式，它通 过对信道中不同信号间干扰的管理和优化来提高网络的吞吐量。可实现干扰管理的技术有 多种，例如干扰消除、干扰对齐、多用户检测等，对它们的实现效果进行比较，其中W串行干 扰消除（SuccessiveInte;rferenceCancellation,SIC)算法实现较简单，效果也不错，因 此受到了广泛的关注。SIC算法采用串行的方式对接收信号判决并接收。它会首先根据接 收功率的强弱对接收信号进行排序，然后对它们依次解码并接收。
[0004] 多AP切换问题是无线网络研究领域中的一个重要问题，关于运类问题的研究和 讨论多见于蜂窝网络中，如实现握手切换的统一框架。近年来随着铁路轨道技术的迅速发 展和人们对多媒体业务服务要求的不断扩大，很多学者针对于高速铁路或者车联网场景下 的切换问题进行了研究。针对干扰管理的AP切换机制，特别是用于井下环境的，目前尚未 见公开文献发表。
[0005] 在井下机车与AP无线通信过程中，现有干扰管理的相关研究成果较难直接使用， 主要问题表现在：
[0006] (1)井下环境中，矿井机车处在不断移动中，且其移动具有较强的规律性。现有基 于干扰管理的研究较少考虑运种特征，没有直接适合面向井下的干扰管理无线网络通信模 型。
[0007] (2)矿井机车的移动通常情况下是可W安排调度的，现有干扰管理相关研究成果 较少考虑运种情况。特别是没有研究尝试将基于干扰管理的井下通信算法和井下机车调度 机制结合起来，联合设计相关的优化方案。
[0008] (3)矿井机车在移动过程中会在AP之间切换。井下AP成本很高，布点困难，属稀 缺资源。另一方面，矿井机车的高速移动使得其对于AP切换的效率和效果要求较高。现有 研究成果较少考虑利用井下稀缺资源，借助干扰管理手段，设计多AP切换机制。

【发明内容】

[0009]本发明是为针对上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于干扰管理的井下 机车无线通信方法。该方法中构建了基于串行干扰消除算法的井下基站通信区域划分模 型，根据区段划分数与基站通信覆盖范围的关系，机车位置与发射功率的关系，进而设计出 SIC区域划分方法，其主要是对区段划分数和机车车载终端的发射信息功率进行合理的调 整，W提高网络容量，AP利用率和运输效率。
[0010] 本发明解决技术问题采用如下技术方案：
[0011] 基于干扰管理的井下机车无线通信方法，根据井下机车在巷道内较强的移动规 律，将机车调度、井下巷道内基站无线通信与干扰管理相结合，通过对基站通信区域的合理 划分，机车发车时间的合理安排，设计区域划分模型，提出SIC区域划分流程，实现单基站 接入多机车，W及多基站切换机制进而实现井下机车无线通信管理，其特征在于：包括W下 步骤进行：
[0012] a、根据信噪比阔值0和基本信息传输速率丫为井下巷道内基站实际通信覆盖范 围进行等区间划分后所形成的各个分区分配统一的信噪比值；
[0013] b、通过井下巷道内一个基站的发射信息最大功率值和步骤a确定的该基站内各 个分区分配的统一信噪比值运两个参数确定该基站实际通信覆盖范围内可划分的最大区 段数；
[0014] C、根据关于基站通信覆盖范围利用率和等机车数通过巷道总时间的优化变量值 最小运一优化目标确定基站通信覆盖范围内的最佳区段划分数，进而对基站通信覆盖范围 进行相应的区段划分；
[0015] t确定井下巷道内基站各区段内不同位置处机车发射信息使用的功率值，并根据 井下实际情况，每隔IOm调整一次功率，实现井下机车管理。
[0016]所述步骤a中为井下巷道内基站实际通信覆盖范围进行等区间划分后所形成的 各个分区分配统一的信噪比值的步骤如下：
[0017] al、根据串行干扰管理方法，各个发射信息X处的的机车节点信噪比值Pi(X)应 大于信噪比阔值0，表示如下：
[0018]
(1)
[0019]其中，gi(X)为机车与AP之间的功率衰减，Pi (X)为机车在Ii段内X位置处发射信 息时使用的功率。N。表示噪声功率，0 I(X)表示机车在Ii段内机车的信噪比，0 (0 > 1) 为阔值，為二|。1'' , 为基站bk各区段内对应车辆的集合，J啼)为 所有和皆同时向bk发送信息的其他机车的集合，不包括苗；
[0020] a2、根据香农公式，机车信道发送信息的传输速率Ci(X)应大于基本信息传输速率 丫保证信息的成功传输，表示如下：
[0021] Ci(X) = Wlog2(l+0 i (X)) > r (2)
[002引其中，W代表信道带宽；
[0023]a3、在满足al，曰2两个条件的前提下，取最大值作为各个区段信噪比值，并保证区 段信噪比值在各个区段内均相等为统一信噪比n，表示如下：
[0024]
0)
[00巧]所述步骤b中确定该基站实际通信覆盖范围内可划分的最大区段数的过程如下：
[0026] bl、确定井下允许机车发射信息的最大功率值Pm。、；
[0027] b2、根据步骤a中确定的区段统一信噪比值n和bl中的最大功率值Pm。,，确定基 站实际通信覆盖范围中可划分的最大区段划分数am。、，表示如下：
[0028]
(4)
[0029] 所述步骤C中确定基站通信覆盖范围内的最佳区段划分数即最优区段数是指将 最大区段划分数amJi减1，迭代计算基站通信覆盖半径Rt和n辆机车通过长度为S的巷 道的总时间T，进而求得优化变量P的最小值，从而得到最佳区段划分数a，具体步骤如 下：
[0030] cl、将最优区段数初始化为步骤b中得到的最大区段划分数Qm。、;将最优目标值 初始化为无穷大；
[0031]c2、根据式巧）计算基站实际通信覆盖范围Rt;
[0032]
口）
[0033]c3、判断基站实际通信覆盖范围是否大于基站通信覆盖范围，若大于则至c8;
[0034]c4、根据式（6)计算n机车通过固定长度为S巷道的总时间T;
[0035]
脚
[0036]c5、根据式（7)计算优化变量值；
[0037]
饥
[003引 c6、比较最优目标值和c4中的优化变量值，如果优化变量值小于最优目标值，则 将优化变量值赋值给最优目标值，否则至c8;
[0039]c7、最优区段数减1，至Cl继续求解最优值；
[0040]c8、步骤C结束，得到最小优化目标值，达到优化目标，得到最优区段数。
[0041]所述步骤d中确定井下巷道内基站各区段内不同位置处机车发射信息使用的功 率值的步骤如下：
[0042] dl、根据串行干扰管理方法，令基站划分区域从左至右接收信号强度逐渐递增，使 基站接收信号的顺序为从右至左；
[0043] d2、令每个区段内只行驶一辆机车，保证机车之间的安全距离；
[0044]d3、在满足dl，d2条件下，根据a中所求的各区段内相等的统一信噪比值n，判断 机车所在区段号i，并根据机车与基站的通信距离di(X)，依据式（8)该机车的发射信息功 率值Pi(X)，如下，并根据井下实际情况，每隔IOm调整一次功率；
[0045] C(坤=J,'(xf.AV巧.(!+巧)'-'(!</含叫
[0046] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0047]本发明在充分利用井下稀缺资源基础上，根据机车在巷道内较强的移动规律，将 机车调度、井下无线通信与干扰管理=者相结合，通过对基站通信区域的合理划分，机车发 车时间的合理安排，设计区域划分模型，提出SIC区域划分策略，从而实现单AP接入多机 车，W及多基站AP切换机制，提高网络容量、基站利用率和井下运输效率。
【附图说明】
[004引图1为本发明所设及的场景示意图；
[0049]图2为本发明所设及的区域划分模型示意图；
[0050] 图3为本发明所设及的SIC区域划分法流程图。
【具体实施方式】
[0051] W下通过【具体实施方式】，并结合附图1-3对本发明作进一步描述：
[0052]基于干扰管理的井下机车无线通信方法，基于的场景如图1所示，根据井下机车 在巷道内较强的移动规律，将机车调度、井下巷道内基站无线通信与干扰管理相结合，通过 对基站通信区域的合理划分，机车发车时间的合理安排，设计区域划分模型，如图2所示， 提出SIC区域划分流程，具体如图3所示，实现单基站接入多机车，W及多基站切换机制进 而实现井下机车