CN204168290U - 一种多模式矿井移动通信*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多模式矿井移动通信***，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***动态选择多个模式工作：在SISO模式中，***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，***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，***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。本实用新型结构简单、部署灵活，***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。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种煤矿井下移动通信***，具体地说是涉及一种多模式矿井移动通信***。
背景技术
现有的矿井移动通信***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***(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。随着多输入多输出(MIMO)技术在移动通信***的广泛应用，集中式多天线***，分布式多天线***已成为移动通信***典型的无线网络结构。而集中式MIMO***采用传统的蜂窝结构，将基于MIMO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1/2信号波长，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***和集中式MIMO***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MIMO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***，显得十分必要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多模式矿井移动通信***，旨在解决上述不足之处，特别是为了克服现有的矿井通信***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***。
本发明采用的技术方案是：一种多模式矿井移动通信***包括控制调度单元，树形结构无源光网络，井下单输入单输出基站(以下简称井下SISO基站)，井下多输入多输出基站(以下简称井下MIMO基站)，MIMO通信网关，分布式多输入多输出天线(以下简称分布式MIMO天线)和井下移动终端。
所述***采用正交频分复用多址射频技术。
所述***无线接口采用WCMDA或WiFi、LTE或WiMAX空中接口。
所述***能够选择单输入单输出模式、多输入多输出模式和混合模式多个操作模式工作。
在单输入单输出模式，所述井下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，并且通过所述MIMO通信网关与所述分布式MIMO天线通信。
在多输入多输出模式，所述井下MIMO基站被配置成LTE或WiMAX基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过所述MIMO通信网关与所述MIMO分布式天线通信。
在混合模式，所述井下SISO基站和所述井下MIMO基站分别与所述MIMO通信网关相耦合，并且通过加法电路将单输入单输出信号和多输入多输出信号组合后选择性地通过所述MIMO通信网关与所述分布式MIMO天线通信。
所述控制调度单元由井上调度装置和基站控制器组成，通过所述树形结构无源光网络分别与所述井下井下单输入单输出基站和所述多输入多输出基站连接，并且通过所述分布式MIMO天线与所述井下移动终端进行通信。
所述树形结构无源光网络，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；
光网络终端，提供无线接口、光接口、以太网接口和总线接口，用于井下通信设备的无线和有线接入；
光链路，用于传输调制的数字信号或光纤无线电载波信号，至少包括第一光纤、第二光纤和波分复用器；其中，所述第一光纤、第二光纤均采用工作波长为λ1＝1490nm和λ2＝1310nm的单模光纤并互为备份链路，并且在单条光纤上以不同波长传输上行链路信号和下行链路信号，所述波分复用器采用1：n分光比波分复用，其中2≤n≤32，用于上行链路信号和下行链路信号滤波分路和聚合。
所述分布式MIMO天线包括单个或多个远端天线单元组，用于与所述MIMO通信网关进行通信，并将已调信号发送到一个或多个井下移动终端；所述远端天线单元组使用相同的载波频率、时隙和码道，每个远端天线组至少包含一个天线单元，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。
所述MIMO通信网关提供无源光接口、以太网接口、总线接口，用于将以太网数据信号、视频信号、音频信号落地，实现井下数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备、以太网终端、移动监控与通信设备的接入。
所述井上调度装置包括调度控制服务器、移动定位网关和以太网交换机，其分别与通过光纤接口或电接口与光线路终端连接。
所述调度控制服务器通过以太网与光线路终端连接，其内置基站调度控制模块和脱网直通模块。
所述移动定位网关通过与光线路终端连接，移动定位网关为井下移动终端提供定位服务，实现井下人员、机车的定位功能。
所述井下SISO基站和所述井下MIMO基站为隔爆兼本质安全型防爆装置。
所述MIMO通信网关为本质安全型防爆装置。
所述井下移动终端为具有脱网直通、移动定位功能的本质安全型防爆装置。
本发明的有益效果在于：
1.采用多模式矿井移动通信***，解决了井下移动通信远近效应问题和提高***的抗干扰能力。
2.采用分布式MIMO天线，实现井下无线场强均匀覆盖，克服了井下多径干扰，消除井下通信盲区，增强了***的鲁棒性。
3.采用MIMO通信网关和移动终端的定位功能，将音频信号、数据信号、视频信号落地，实现井下语音、数据、视频图像等多媒体业务的融合及工业以太网设备和有线电话的接入，实现对井下人员、机车的移动监控及监测和应急通信能力。
该***采用多模式工作方式，结构简单、部署灵活，***信道容量大，抗干扰能力强，场强覆盖范围广，能够克服远近效应和消除通信盲区，符合矿用特定的使用环境和安全要求，适宜部署在煤矿井下高温、高湿和电磁干扰严重等恶劣工作环境。
附图说明
此处所描述的附图用于对本发明的进一步解释和理解，附图中：
图1为多模式矿井移动通信***的结构框图；
图2为MIMO通信网关的结构框图；
图3为MIMO接收机处理器单元框图。
下面将参考附图并结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
具体实施方式
图1为多模式矿井移动通信***结构框图，实施例中描述的***包括调度控制单元102、无源光网络123P、井下SISO基站40、井下MIMO基站50、分布式MIMO天线67D和井下移动终端80。无源光网络123P由光线路终端10、光链路23P和MIMO通信网关60组成；分布式MIMO天线67D由多个远端天线单元70组成；调度控制单元102由基站控制器20和井上调度装置90组成。井下移动终端60通过远端天线单元70接入无线网络。在矿井移动通信***中，无线和有线业务均在光纤上传输，光信号作为载波，射频信号作为调制信号，光纤为长波长单模光纤，工作波长为λ1和λ2，λ1波长为1490nm，λ2波长为1310nm，光线路终端10、MIMO通信网关60内置WDM光收发单元(未示出)，可实现单条光纤双向传输光信号，从而实现射频信号的双向传输。
来自地面基站100、光线路终端10的下行无线信号经过波分复用器30滤波分路，然后分别发送到井下SISO基站40和井下MIMO基站50，再耦合到MIMO通信网关60，并与远端天线单元70连接实现井下无线网络覆盖，最后通过无线接口由井下移动终端80接收，实现井上、井下移动通信，上行信号则反之。***通过光载波传输射频信号，其上、下行信号传输过程如下：由地面基站和光线路终端10发送的下行光信号采用波长为1490nm经波分复用(WDM)单元进行射频发送，至MIMO通信网关60的WDM单元接收射频信号，由MIMO通信网关60发送的上行信号采用波长为1310nm、经MIMO通信网关60的WDM单元发送至光接收单元，进行射频信号接收，然后 经井下基站的功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和双工滤波器处理后，最后经远端天线单元70发送至井下移动终端天线，通过天线开关、选频开关完成射频收发，实现井下无线场强覆盖和无盲区通信。在收发频率上，井下SISO基站40和井下MIMO基站50的发射信号频率与井下移动终端80接收信号频率相同，井下基站的接受信号频率与井下移动终端80发射信号频率相同(Tx、Rx为井下SISO基站40或井下MIMO基站50的发射和接收信号，T′x、R′x分别为井下移动终端80的发射和接收信号，Tx＝R′x，Rx＝T′x)，它通过分布式MIMO天线67D进行双向传输。
在井上控制调度单元，光线路终端10通过光纤接口或电口连接基站控制器20、井上调度装置90、地面基站100。光线路终端10和基站控制器20分别进行信号的集中处理，通过光纤、波分复用器分别与井下SISO基站40、井下MIMO基站50连接，井下SISO基站40、井下MIMO基站50分别通过光接口与MIMO通信网关60连接，MIMO通信网关60通过光纤接口与远端天线单元70连接，实现数据的传输与交换；井下移动终端80通过无线接口接入远端天线单元70，实现井下无线通信；MIMO通信网关60可以根据井下无线信号覆盖和用户容量需求灵活部署，分布式MIMO天线67D的布置根据井下无线信号覆盖和用户容量需求，通过拉远光纤对远端天线单元70进行灵活地延伸布置，以实现对不同位置的多个天线信号发送，有效地抗击井下无线信号衰落，提高井下移动通信***的信道容量。
参照图2，实施例中***通过MIMO通信网关60能够动态地选择单输入单输出模式、多输入多输出模式和混合模式进行工作，在MIMO通信网关60包括M个(1≤M≤32)无线电信道621或经过数字调制的光信道622、基带处理器604、MIMO处理器605、数字IF处理器606、混合式耦合器601、加法电路602、光开关矩阵603以及光接口607、总线接口608。其中每个无线电信道621可以被配置成处理来自井下SISO基站40和井下MIMO基站50的信号。对FDD空中接口而言，无线电信道621使用了复用器/双工器670来处理上行链路信号及下行链路信号。RF下变换器680可以放大来自复用器670的接收信号，并将信号的中心频率设置在A/D转换器681通带内部。宽带A/D转换器681将空中接口的全部下行链路信道数字化，并通过重新采样、抽取和滤波后发送到远端天线单元70。而对上行链路信道的处理与上述下行链路处理方式相反。在MIMO通信网关60中，如果***未激活混合式耦合器601，那么来自井下SISO基站40的信号通过光开关矩阵603被传送到远端天线单元70，并且可以采用与单输入单输出模式相似的工作方式来使用该***。
图2示出的远端天线单元70通过与井下SISO基站40所使用的无线频率进行通信。但在选择性地激活混合式耦合器601时，来自井下SISO基站40的输出信号可以与井下MIMO基站50的输出信号相结合，通过组合电路和光开关矩阵603，从而使每一个远端天线单元70通过与井下SISO基站40和井下MIMO基站50所使用无线频率相对应的至少两个无线频率来传输来自井下SISO基站40的信号，以及传输多输入多输出信号。由此，选择性地激活光开关矩阵603处理会动态地将***从单输入单输出工作模式切换到多输入多输出工作模式或具有组合单输入单输出和多输入多输出信号的混合工作模式。因此，在一些实施例中，***可以单独被配置成处理WiMAX帧前导和/或TD-LTE主同步信号的多输入多输出***来使用，其中所 述WiMAX帧前导和/或TD-LTE主同步信号仅由一个井下MIMO基站天线传输，或者可以选择地仅由一个井下MIMO基站通过分布式MIMO天线传输。
图2示出的MIMO通信网关60，将来自井下MIMO基站50的多个输出信号可以交叉耦合或组合，并且可以被发送至所有的远端天线单元70，而不会影响其多输入多输出模式操作。举例来说，***的每个远端天线单元都可以被配置成传输来自井下MIMO基站50的所有数据流以及组合的井下SISO基站40信号，不同的具有单天线或多天线的井下移动终端80采用MIMO空分复用技术，并能够从MIMO通信网关60馈送来自不同远端天线单元70接收的不同信号。图2示出的MIMO通信网关60采用的混合式耦合器601，为90°相移的3dB正交耦合器，可以交叉耦合所有多输入多输出信号，并且可以在不影响多输入多输出操作的情况下将其发送至所有远端天线单元，每一个远端天线单元都可以传输所有的多输入多输出并行数据流而不会引起码流干扰。即：分布式MIMO天线中发送的数据被拆分在两个并行的分布式MIMO***中，一个***是同相的，另一个***是90°相移的，因此通过90°相移的正交耦合器，不仅可以提高信道容量，而且能够解决了***存在的远近效应问题。在某些实施例中，MIMO通信网关60***通过耦合井下SISO基站40和井下MIMO基站50，可以被配置成多模式工作的具有无线接口和总线接口的控制单元，通过MIMO通信网关60与远端天线单元70耦合，并通过总线接口608接入远端监控***700，以实现对井下机车、人员等移动目标的监控。而且，在某些实施例中，MIMO通信网关60***通过光链路与光线路终端10相耦合组成无源光网络123P，并可以被配置成具有无线接口、光接口、以太网接口和总线接口的光网络终端，通过MIMO通信网关60与井下无线终端、工业以太网设备、有线电话连接，实现井下语音、数据、视频图像等多媒体业务的融合及井下通信设备的无线和有线接入。
参照图3，为MIMO接收机处理器单元300的实施例框图，描述的是MIMO基站50或井下移动终端80的接收机部分实施例。MIMO RX处理器单元包括RX数据处理器310、选择器320、空时处理器330、控制器340、存储器350和解调器500。来自NT个发射天线的发送信号NR个接收天线接收，并路由到相应的解调器500，每个解调器500对相应接收到的信号进行滤波和放大等调整，将调整的信号下变频为中频或基带信号并数字化提供数据采样。每个解调器500可以进一步用恢复的导频对数据采样进行解调以生成接收到的调制码元流，并提供给空时处理器330。如果采用OFDM数据传输技术，则每个解调器500进一步通过FFT处理生成数据采样并提供调制码元向量流。一个空时处理器330可以用于为每个NF频率子信道实现来自NR个接收天线的调制码元的多输入多输出处理。或者，一个空时处理器330可以用于为所有的NF频率子信道为调制码元实现多输入多输出处理。在实施例中，RX数据处理器310包括解调元件311、解交织器312和解码器313，RX数据处理器310被提供有对应的数据流的调制码元流，且调制码元抽取可以由空时处理器330内的组合器(图3中未示出)实现，并将抽取的调制码元流被提供给解调元件311。来自解调元件313解调后的数据然后由解交织器312经解交织，经解交织的数据进一步由解码器313解码。
显然，本领域的技术人应该明白，上述本发明所涉及的各模块和功能，除作为矿井移动通信***用于煤矿井下环境外，通过适当集成或改进后也适用于非金属和金属矿井的移动监 控或移动计算，这样本发明不限制除移动通信之外的移动监控和移动计算等通信技术领域。
以上内容是结合具体的优选实施例方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明设计思路的前提下，还可做出若干个简单的更改和替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书所涉及的保护范围。
Claims (7)
1.一种多模式矿井移动通信***，其特征在于，***包括控制调度单元，树形结构无源光网络，井下单输入单输出基站，井下多输入多输出基站，MIMO通信网关，分布式多输入多输出天线和井下移动终端；其特征还在于，
所述***采用正交频分复用多址射频技术；
所述***无线接口采用WCMDA或WiFi、LTE或WiMAX空中接口；
所述***能够选择单输入单输出模式、多输入多输出模式和混合模式多个操作模式工作；
在单输入单输出模式，所述单输入单输出基站被配置成WCDMA或WiFi基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过所述MIMO通信网关与所述分布式多输入多输出天线通信；
在多输入多输出模式，所述多输入多输出基站被配置成LTE或WiMAX基站，至少输出第一信号和第二信号，并且通过所述MIMO通信网关与所述分布式多输入多输出天线通信；
在混合模式，所述井下单输入单输出基站和所述井下多输入多输出基站分别与所述MIMO通信网关相耦合，并且通过加法电路将单输入单输出信号和多输入多输出信号组合后选择性地通过所述MIMO通信网关与所述分布式多输入多输出天线通信；
所述控制调度单元由井上调度装置和基站控制器组成，通过所述树形结构无源光网络分别与所述井下单输入单输出基站和所述井下多输入多输出基站连接，并且通过所述分布式多输入多输出天线与所述井下移动终端进行通信；以及
所述树形结构无源光网络，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；
光网络终端，提供无线接口、光接口、以太网接口和总线接口，用于井下通信设备的无线和有线接入；
光链路，用于传输调制的数字信号或光纤无线电载波信号，至少包括第一光纤、第二光纤和波分复用器；其中，所述第一光纤、第二光纤均采用工作波长为λ1＝1490nm和λ2＝1310nm的单模光纤并互为备份链路，并且在单条光纤上以不同波长传输上行链路信号和下行链路信号，所述波分复用器采用1∶n分光比波分复用，其中2≤n≤32，用于上行链路信号和下行链路信号滤波分路和聚合。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述井下多输入多输出基站包括：
处理器，用于处理一个或多个井下移动终端的数据，并进行编码、调制和扩频以及信令处理，以提供多个调制码元流；
控制器，接收指示一个或多个井下移动终端的信道状态信息，并基于接收到的信道状态信息提供一个或多个控制、工作状态监控和告警信息；
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；
调制器，用于为多个调制码元流生成多个已调信号；以及
具有光接口和井下防爆外壳的装置。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述MIMO通信网关包括：
混合式耦合器、加法电路、基带处理器、多输入多输出处理器、数字IF处理器、光接口和总线接口，用于动态地将***从单输入单输出模式切换到多输入多输出模式和混合模式，正交耦合输入信号以及完成多输入多输出预编码处理，并通过光链路与远端天线单元进行通信；
混合式耦合器为3dB的正交耦合器，用于在多个输出端口上输出多个正交相移的输出信号；以及
可以被配置成具有无线接口、光接口、以太网接口和总线接口的光网络终端，用于井下通信设备的无线和有线接入。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述分布式多输入多输出天线包括：
单个或多个远端天线单元组，用于与所述MIMO通信网关进行通信，并将已调信号发送到一个或多个井下移动终端；
所述远端天线单元组使用相同的载波频率、时隙和码道，每个远端天线组至少包含一个天线单元，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。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述井下移动终端包括：
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；
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信道状态信息，并反馈给多输入多输出基站；
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
具有脱网直通和移动定位功能的防爆装置。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述井上调度装置包括：
调度控制服务器，其内置基站调度控制模块和脱网直通模块，用于调度控制、直通控制和提供定位信息，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***与远端通信网络的互联，并通过以太网接口与所述光线路终端连接。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述井下单输入单输出基站和井下多输入多输出基站为隔爆兼本质安全型防爆装置，所述MIMO通信网关和所述井下移动终端为本质安全型防爆装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201420167925.0U CN204168290U (zh) | 2014-04-09 | 2014-04-09 | 一种多模式矿井移动通信*** |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201420167925.0U CN204168290U (zh) | 2014-04-09 | 2014-04-09 | 一种多模式矿井移动通信*** |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN204168290U true CN204168290U (zh) | 2015-02-18 |
Family
ID=52541938
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201420167925.0U Expired - Lifetime CN204168290U (zh) | 2014-04-09 | 2014-04-09 | 一种多模式矿井移动通信*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN204168290U (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106559482A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-04-05 | 河南理工大学 | 一种矿井无线智能通信*** |
| CN107015193A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-08-04 | 中国矿业大学(北京) | 一种双目ccd视觉矿井移动目标定位方法及*** |
-
2014
- 2014-04-09 CN CN201420167925.0U patent/CN204168290U/zh not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106559482A (zh) * | 2016-11-04 | 2017-04-05 | 河南理工大学 | 一种矿井无线智能通信*** |
| CN107015193A (zh) * | 2017-04-18 | 2017-08-04 | 中国矿业大学(北京) | 一种双目ccd视觉矿井移动目标定位方法及*** |
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