一種多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)及切換方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)及切換方法，該網(wǎng)關(guān)包含混合式耦合器、4×4光開關(guān)矩陣、加法電路、網(wǎng)關(guān)處理單元、SISO/MIMO接入模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊、無線接口模塊、光接口和總線接口，所述通信網(wǎng)關(guān)中被配置成采用WCDMA和、WiFi、TD-LTE、WiMAX無線空中接口分別輸出SISO信號、MIMO信號，通過路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊將經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的WCDMA、WiFi、TD-LTE和WiMAX業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并觸發(fā)網(wǎng)間切換。該網(wǎng)關(guān)采用多模式工作方式，信道容量大，抗干擾能力強，滿足礦用特定使用環(huán)境和安全要求，適用于煤礦井下WCDMA網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和WiMAX網(wǎng)絡(luò)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的移動通信和移動監(jiān)控，保障煤礦井下移動終端在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的快速切換。
【專利說明】一種多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)及切換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明專利涉及一種適用于煤礦井下移動通信系統(tǒng)的通信裝置，具體地說是涉及一種多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)及切換方法，屬通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著煤礦信息化建設(shè)的發(fā)展和礦井通信業(yè)務(wù)的需求增加，井下逐漸出現(xiàn)多種無線接入網(wǎng)的并存趨勢，如礦井WCDMA、WiF1、UffB, WiMAX和TD-LTE等，它們與傳統(tǒng)的礦井移動通信網(wǎng)絡(luò)一起組成了一個復(fù)雜的礦井異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。然而，一方面由于礦井多模式、多頻段無線通信網(wǎng)絡(luò)同時共存，現(xiàn)有礦井移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，難以滿足井下移動用戶的多模式通信需求和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù)需求；另一方面，由于礦井巷道狹長、無線場強呈帶狀分布，難以采用一個中心基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如果通過大量的拉遠(yuǎn)基站實現(xiàn)寬帶礦井移動通信的無線覆蓋，這必然使投資成本迅速提高，就需采用礦井分布式天線技術(shù)實現(xiàn)WCDMA、WiF1、WiMAX和TD-LTE等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)用的無線接入。因此在礦井分布式天線系統(tǒng)架構(gòu)下，如何實現(xiàn)井下移動終端在礦井移動通信系統(tǒng)與上述異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的快速切換，以及如何保證井下移動終端在移動過程中通過切換獲得持續(xù)有效的通信服務(wù)保障尤為重要。傳統(tǒng)的切換方法一般采用基于移動終端接收信號強度測量的硬切換和軟切換，以及站點選擇的發(fā)送分集切換等，這些切換方法都是以移動終端測量無線信號接收強度作為切換參數(shù)，需要通過上層信令交互通知基站完成切換任務(wù)，而分布式多天線系統(tǒng)具有系統(tǒng)功率低、場強覆蓋均勻的特點，采用以井下移動終端測量所接收無線信號強度作為切換參數(shù)的切換方法來完成基站的天線選擇和無線資源管理，使得井下移動終端的測量過程和多次信令傳遞所帶來的高復(fù)雜性和傳輸時延切換方法將無法應(yīng)用于多天線分布式礦井移動通信系統(tǒng)中，也難以滿足礦井異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的天線選擇需求和切換要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的主要目的在于解決上述不足之處，將波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)與基于光纖無線電(RoF)的分布式MIMO天線相結(jié)合，為實現(xiàn)多模式、多頻段的寬帶礦井移動通信及井下移動終端在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的快速切換，提供了一種多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)及切換方法。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)被配置成包含混合式耦合器、4X4光開關(guān)矩陣、加法電路、網(wǎng)關(guān)處理單元、SISO / MMO接入模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊、無線接口模塊、光接口和總線接口，所述通信網(wǎng)關(guān)耦合到通信基站，并通過光鏈路與天線單元或射頻單元進(jìn)行通信；
[0005]所述通信網(wǎng)關(guān)動態(tài)地將通信系統(tǒng)從SISO模式切換到MMO模式和混合模式，由混合式耦合器正交耦合MMO輸入信號和完成MMO預(yù)編碼處理，并通過加法電路將SISO信號和MIMO信號進(jìn)行組合后被配置成接收所述耦合器的輸出信號，為井下通信裝置提供16路無線電信道和/或16路經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的光信道；[0006]所述通信網(wǎng)關(guān)中，SISO / MMO接入模塊被配置成采用WCDMA和/或WiF1、TD_LTE和/或WiMAX無線空中接口分別輸出SISO信號、MMO信號，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊被配置成在上行或者下行方向為路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊被配置成將經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的WCDMA、WiF1、TD-LTE和WiMAX業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并觸發(fā)網(wǎng)間切換。
[0007]為了能夠準(zhǔn)確地預(yù)測最佳切換時間，井下移動終端首先需要對切換所需時間進(jìn)行估計。井下移動終端在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換時，可通過對多模式通信網(wǎng)關(guān)向切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起切換請求，多模式通信網(wǎng)關(guān)激活相應(yīng)的無線接口模塊與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。井下移動終端在獲得切換請求響應(yīng)后，分別對井下移動終端接收到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信號強度(RSSI)進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測的RSSI結(jié)果確定切換時間。具體步驟包括:
[0008](I)井下移動終端向當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(SIS0或ΜΜ0)發(fā)起模式切換請求，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基站和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)基站(SIS0或ΜΜ0)對礦井井下移動終端的切換時間Thand.進(jìn)行估計；
[0009](2)井下移動終端周期性監(jiān)測其接收到SISI基站或MMO基站的信號強度RSSI，直至監(jiān)測到該信號強度大于設(shè)定的判決閾值Pinit時為止，此時的時間為Tinit ；
[0010](3)井下移動終端以T為周期對接收到SISI基站或MIMO基站的信號強度分別進(jìn)行采樣，得到采樣序列X1和x2，并進(jìn)行加權(quán)平滑方法處理，得到信號強度序列Y1和Y2 ；
[0011](4) SYjP Y2滿足IY1-Y2-(Pkx1-Pkx2)I ( ε則完成切換估計，其中，ε為一個很小的正數(shù)，Pexi為礦井移動臺在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的接收靈敏度，Pex2為礦井移動臺在切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的接收靈敏度；
[0012](5)變換采樣步長值，重復(fù)步驟(3)和(4)繼續(xù)下一組采樣序列預(yù)測，直至該式滿足時為止，完成切換時得到網(wǎng)間最佳切換時間的預(yù)測值ThandOTOT=Tinit+nT。
[0013]所述通信網(wǎng)關(guān)的切換時功率分配和天線選擇的實現(xiàn)步驟包括:
[0014](I)所述通信網(wǎng)關(guān)周期性地監(jiān)測各個遠(yuǎn)端天線單元所接收的井下移動終端信號，對第i個天線單元與井下移動終端接收信號強度(RSSI)參數(shù)值RSS(i)[N]建立映射關(guān)系
i— RSS⑴[N]，并對接收到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信號強度進(jìn)行估計；
[0015](2)所述通信網(wǎng)關(guān)依據(jù)對各井下移動終端的監(jiān)測結(jié)果，更新天線單元映射表中井下移動終端的信號強度參數(shù)RSS(i)[N]；
[0016](3)所述通信網(wǎng)關(guān)對N時間內(nèi)各天線單元所對應(yīng)的井下移動終端的各次信號強度RSS(i) [N]加權(quán)求和計算統(tǒng)計平均值;^，并將得出的統(tǒng)計平均值;^與判決閾值Pinit比較；
[0017](4)所述通信網(wǎng)關(guān)選擇K (K≤η)個信號強度大于門限值(巧》匕,)的天線單元，并根據(jù)平均功率分配規(guī)則Ρω (k) =Ps / K配置相應(yīng)的發(fā)送功率(Ps為發(fā)送總功率)，實現(xiàn)選擇無線信道較好的天線與井下移動終端通信。
[0018]所述通信網(wǎng)關(guān)根據(jù)井下移動終端接收信號強度(RSSI)動態(tài)地選擇包括SISO模式、MIMO模式和混合模式多個操作模式工作；在SISO模式中，多模式通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元處理來自WCDMA基站或WiFi基站的SISO信號；在MMO模式中，多模式通信網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)端天線單元組處理TD-LTE基站或WiMAX基站的MMO輸出信號；在混合模式中，多模式通信網(wǎng)關(guān)與天線單元組處理SISO基站和MMO基站的WCDMA、TD-LTE、WiMAX和WiFi輸出信號。 [0019]所述通信網(wǎng)關(guān)通過混合式耦合器與MIMO基站耦合，并被配置為在相應(yīng)的第一天線端口和第二天線端口接收來自所述MMO基站的所述第一信號和所述第二信號，并且在至少一個輸出端口上提供輸出信號，該輸出信號包括所述第一信號的至少一部分以及所述第二信號的至少一部分。
[0020]所述通信網(wǎng)關(guān)提供無源光接口、以太網(wǎng)接口、CAN總線接口、PROFIBUS總線接口、LONWORKS總線接口、FF總線接口和RS232 / 485接口接口。其被配置為將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號、視頻信號、音頻信號落地，實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)、視頻圖像等多媒體業(yè)務(wù)的傳輸及工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備、以太網(wǎng)終端、移動監(jiān)控與通信設(shè)備的接入。
[0021]所述通信網(wǎng)關(guān)為本質(zhì)安全型防爆設(shè)備。
[0022]本發(fā)明的有益效果在于:
[0023](I)通過采用多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)在SISO模式、MMO模式和混合模式之間的選擇性耦合或動態(tài)切換技術(shù)，提高了礦井移動通信系統(tǒng)的抗干擾能力和應(yīng)急通信能力。
[0024](2)多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)的切換方法，具有網(wǎng)間快速切換、無信令開銷的優(yōu)點，能夠提高系統(tǒng)的功率效率和切換效率，保障礦井異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的移動性要求和通信服務(wù)要求。
[0025](3)采用多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)信號、視頻信號、音頻信號落地，為井下通信裝置提供16路無線電信道或數(shù)字調(diào)制的光信道，實現(xiàn)井下語音、數(shù)據(jù)、視頻圖像等多媒體業(yè)務(wù)融合。
[0026]該網(wǎng)關(guān)采用多模式工作方式，系統(tǒng)信道容量大，抗干擾能力強，符合礦用特定的使用環(huán)境和安全要求，適宜部署在煤礦井下高溫、高濕和電磁干擾嚴(yán)重等惡劣工作環(huán)境。通過礦井分布式天線系統(tǒng)中功率分配與天線選擇方法，發(fā)送功率配置和天線選擇過程在礦井無線通信網(wǎng)關(guān)完成，具有快速切換、無信令開銷的優(yōu)點，能夠提高礦井移動通信系統(tǒng)的功率效率和切換效率，保障礦井移動通信系統(tǒng)的移動性要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]此處所描述的附圖用于對本發(fā)明的進(jìn)一步解釋和理解，構(gòu)成本申請的一部分。在附圖中:
[0028]圖1是本發(fā)明實施例的多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖2是本發(fā)明實施例的多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0031]圖4是多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)的模式切換流程圖；
[0032]圖5是礦井移動通彳目系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間切換不意圖；
[0033]圖6是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)耦合器的原理框圖。
[0034]下面將參考附圖并結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【具體實施方式】
[0035]參照圖1，實施例中多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60能夠動態(tài)地選擇SISO模式、MIMO模式和混合模式進(jìn)行工作，多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60包括N個(I SNS 16)無線電信道621或經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的光信道622、基帶處理器604、MIMO處理器605、數(shù)字IF處理器606、混合式耦合器601、加法電路602、光開關(guān)矩陣603以及無源光網(wǎng)絡(luò)接口 607、總線接口 608和無線接口 609。其中每個無線電信道621可以被配置成處理來自井下防爆單輸入單輸出(SISO)基站40和井下防爆多輸入多輸出(MMO)基站50的信號。對FDD空中接口而言，無線電信道621使用了復(fù)用器/雙工器670來處理上行鏈路信號及下行鏈路信號。RF下變換器680可以放大來自復(fù)用器670的接收信號，并將信號的中心頻率設(shè)置在A / D轉(zhuǎn)換器681通帶內(nèi)部。寬帶A / D轉(zhuǎn)換器681將空中接口的全部下行鏈路信道數(shù)字化，并通過重新采樣、抽取和濾波后發(fā)送到遠(yuǎn)端天線單元70。而對上行鏈路信道的處理與上述下行鏈路處理方式相反。在多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60中，如果系統(tǒng)未激活混合式耦合器665，那么來自SISO基站40的信號通過光開關(guān)矩陣603被傳送至遠(yuǎn)端天線單元70的至少一部分，并且可以采用與SISO系統(tǒng)相似的方式來使用該系統(tǒng)。
[0036]圖1示出的遠(yuǎn)端天線單元70通過與SISO基站40使用的無線頻率相對應(yīng)的至少連個無線頻率來進(jìn)行通信。但在選擇性地激活混合式耦合器601時，來自SISO基站40的信號可以與組合的MIMO基站50輸出信號相結(jié)合,通過組合電路和光開關(guān)矩陣603,從而使每一個遠(yuǎn)端天線單元70通過與SISO基站40使用的無線頻率相對應(yīng)的至少兩個無線頻率來傳輸來自SISO基站40的信號，以及傳輸所有的兩個或全部MMO信號。由此，多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60選擇性激活光開關(guān)矩陣603，處理并動態(tài)地將系統(tǒng)從SISO工作模式重新配置成MIMO工作模式或具有組合SISO和MIMO信號的混合工作模式。因此，在一些實施例中，系統(tǒng)可以作為單獨被配置成處理LTE主同步信號和/或WiMAX幀前導(dǎo)的MMO系統(tǒng)來使用，其中所述LTE主同步信號和/或WiMAX幀前導(dǎo)僅由一個MMO基站天線傳輸，或者可以選擇地僅由一個MMO基站天線傳輸。圖1示出的多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60將來自MIMO基站的第一信號和第二信號的一部分可以交叉耦合或組合，并且可以被發(fā)送至所有的遠(yuǎn)端天線單元70，而不會影響其MIMO操作。舉例來說，系統(tǒng)的每個遠(yuǎn)端天線單元都可以被配置成傳輸來自MIMO基站50及其天線的所有的數(shù)據(jù)流以及組合的SISO基站40信號，不同的井下移動終端80 (SIS0和ΜΙΜ0)采用MMO空分復(fù)用技術(shù)，并能夠從多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60饋送的不同的遠(yuǎn)端天線單元70接收不同的信號。
[0037]圖1中示出的多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60采用混合式耦合器601，為90°相移的正交耦合器，可以交叉耦合所有MMO信號，并且可以在不影響MMO操作的情況下將其發(fā)送至所有遠(yuǎn)端天線單元，每一個遠(yuǎn)端天線單元都可以傳輸所有的MIMO并行數(shù)據(jù)流而不會引起碼流干擾。即:分布式MMO天線中發(fā)送的數(shù)據(jù)被拆分在兩個并行的分布式MMO系統(tǒng)中，一個系統(tǒng)是同相的，另一個系統(tǒng)是90°相移的，因此通過90°相移的正交耦合器，不僅可以提高信道容量，而且能夠解決了系統(tǒng)存在的遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。在某些實施例中，多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60通過耦合SISO基站40和MMO基站50，可以被配置成多模式工作的具有總線接口 608和無線接口 609的控制單元，通過多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60與遠(yuǎn)端天線單元70連接，經(jīng)由無源光網(wǎng)絡(luò)WDM-PON重載后分別與WCDMA、WiF1、TD-LTE和WiMAX網(wǎng)絡(luò)通信，并通過總線接口 608接入遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)700，實現(xiàn)井下機(jī)車、人員等移動目標(biāo)監(jiān)控。而且，在某些實施例中，多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60系統(tǒng)被配置成具有以太網(wǎng)接口、光接口的無源光網(wǎng)絡(luò)終端，通過光鏈路與光線路終端相耦合組成無源光網(wǎng)絡(luò)，并與井下工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備、有線電話連接，實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)、視頻圖像等多媒體業(yè)務(wù)的傳輸及工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備和有線電話的接入。
[0038]參照圖2，為多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60重載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。其中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)無線接口模塊609包括WCDMA無線接口模塊682、WiFi無線接口模塊683、WiMAX無線接口模塊684和TD-LTE無線接口模塊685。礦井移動通信系統(tǒng)在未實現(xiàn)WCDMA、WiF1、TD-LTE和WiMAX等系統(tǒng)重載前，由于TDD與FDD在信號傳輸過程中，上下行同步放大的同步方式不同，所以必須將TDD與FDD區(qū)別開來。一方面，根據(jù)TDD信號的特點與基站保持同步，實現(xiàn)時隙同步放大。FDD信號由于上下行信號頻率不同，只需根據(jù)頻率分別放大，實現(xiàn)相對簡單。另一方面，由于礦井巷道狹長，呈帶狀分布，難以采用一個800MHz或2.4GHz的中心基站進(jìn)行覆蓋，而且WCDMA和WiFi的覆蓋頻率非常有限，如果要實現(xiàn)礦井無線通信寬帶移動就需要大量的拉遠(yuǎn)基站，必然使投資成本迅速提高，因此，就需考慮采用WiF1、WiMAX和TD-LTE等多系統(tǒng)重載的無線接入方式，而TD-LTE和WiMAX基站的上、下行速率達(dá)到IOObit / S，在如此高帶寬的情況下，多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60被配置成具有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線接口模塊609通過RoF接入技術(shù)實現(xiàn)與地面基站55和井下異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的連接，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線接口模塊609通過WDM光復(fù)用單元710、WDM發(fā)送單元720、WDM接收單元730和WDM解復(fù)用單元740實現(xiàn)光纖無線電載波復(fù)用，井下移動終端80根據(jù)多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60提供的功率分配和天線選擇策略，通過遠(yuǎn)端天線單元70進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)垂直切換。其中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包括WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)782、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)783、WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)784、TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)785。通過多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重載后，由于上、下行信號采用不同波長(或頻率)在不同的光路進(jìn)行放大，因而不存在無線信號的自激與干擾，可以有效地解決因上、下行信號復(fù)用方式的不同而必須采用不同的同步放大的問題。
[0039]參照圖3，圖中描述的是本發(fā)明優(yōu)選實施例的多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖。多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60由網(wǎng)關(guān)處理單元60L和通信接口電路(61L?68L，611?617)構(gòu)成；網(wǎng)關(guān)處理單元60L由基帶處理器、MMO處理器和數(shù)字IF處理器組成；通信接口電路包括無線接口模塊61L、關(guān)開關(guān)矩陣62L、混合式耦合器63L、WDM單元64L、光接口 611、以太網(wǎng)接口 612、CAN總線接口 613、PR0FIBUS總線接口 614、L0NW0RKS總線接口模塊615、FF總線接口 616、RS232 / 485接口 617以及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊66L、路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊67L和SISO /MIMO接入模塊68L，其分別與MMO處理單元60L連接，MMO處理單元60L完成基帶處理、數(shù)字IF及下變頻處理、A / D轉(zhuǎn)換和時鐘同步等。多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信號、視頻信號、音頻信號落地，實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)、視頻圖像等多媒體業(yè)務(wù)的傳輸及工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備、監(jiān)控通信設(shè)備、以太網(wǎng)終端和無線信號的接入。其中，光接口 611、通過WDM單元64L接入系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)，關(guān)開關(guān)矩陣62L、混合式耦合器63L與基站相連；多模式通信網(wǎng)關(guān)60通過光接口 611和/或以太網(wǎng)接口 612實現(xiàn)與井下以太網(wǎng)終端、工業(yè)以太網(wǎng)等設(shè)備的連接，為井下數(shù)據(jù)、視頻圖像等多媒體提供接入；多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)60通過無線接口61L、CAN 總線接口 613、PROFIBUS 總線接口 614、LONWORKS 總線接口 615、FF 總線接口 616和RS232 / 485接口 617實現(xiàn)與現(xiàn)場模擬量控制設(shè)備和數(shù)字量控制設(shè)備的信號采集及控制和監(jiān)控通信設(shè)備的連接，實現(xiàn)井下移動目標(biāo)監(jiān)控。
[0040]參照圖4，為多模式通信網(wǎng)關(guān)在井下異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間切換流程圖。為了能夠準(zhǔn)確地預(yù)測最佳切換時間，井下移動終端首先需要對切換所需時間進(jìn)行估計。井下移動終端垂直切換時，可通過對多模式通信網(wǎng)關(guān)向切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起切換請求，多模式通信網(wǎng)關(guān)激活相應(yīng)的無線接口模塊與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。井下移動終端在獲得切換請求響應(yīng)后，分別對井下移動終端接收到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信號強度(RSSI)進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測的RSSI結(jié)果確定切換時間。具體實現(xiàn)過程如下:首先井下移動終端向當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(SISO或MMO)發(fā)起模式切換請求，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基站和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)基站(SIS0或ΜΜ0)對礦井井下移動終端的切換時間Thandover進(jìn)行估計；然后井下移動終端周期性監(jiān)測其接收到SISI基站或MIMO基站的信號強度RSSI，直至監(jiān)測到該信號強度大于設(shè)定的判決閾值Pinit時為止，此時的時間為Tinit;第三，井下移動終端以T為周期對接收到SISI基站或MMO基站的信號強度分別進(jìn)行采樣，得到采樣序列X1和X2,并進(jìn)行加權(quán)平滑方法處理，得到信號強度序列Y1和Y2 ;第四，若Y1和Y2滿足I Y1-Y2- (Pex1-Prx2) |≤ε則完成切換估計，其中，ε為一個很小的正數(shù)，Pm為井下移動臺在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的接收靈敏度，Pkx2為井下移動臺在切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的接收靈敏度；第五，變換采樣步長值，重復(fù)第三、第四步驟繼續(xù)下一組采樣序列預(yù)測，直至完成切換為止；最后，得到網(wǎng)間最佳切換時間的預(yù)測值Thandver=Tinit+nT。
[0041]參照5，礦井移動通信系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)間切換示意圖。當(dāng)井下移動終端80在礦井分布式天線無線信號覆蓋的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中移動時，井下SISO基站40或MMO基站50根據(jù)各個天線接收到井下移動終端80的無線信號強度，直接通過對信道條件較好的天線單元70發(fā)送功率配置，實現(xiàn)天線快速選擇的過程，使系統(tǒng)中基站以簡單的方法實現(xiàn)井下移動終端的切換和提高系統(tǒng)功率效率。具體實現(xiàn)步驟如下:(1)井下移動終端通過多模式通信網(wǎng)關(guān)向所承載業(yè)務(wù)的SISO / MMO基站發(fā)起網(wǎng)絡(luò)切換請求，多模式通信網(wǎng)關(guān)動態(tài)選擇工作模式，多模式通信網(wǎng)關(guān)激活相應(yīng)的無線接口模塊與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；(2)多模式通信網(wǎng)關(guān)周期性地測量礦井分布式天線系統(tǒng)各個遠(yuǎn)端天線單元所接收的井下移動終端信號，對井下移動終端接收到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信號強度(RSSI)進(jìn)行預(yù)測，對第η個天線單元與井下移動終端接收信號強度參數(shù)值RSS(n) [N]建立映射關(guān)系η — RSS(η) [N] ； (3)多模式通信網(wǎng)關(guān)根據(jù)各井下移動終端的測量結(jié)果更新天線單元表中SISO / MMO基站針對該井下移動終端的信號強度參數(shù)RSS(n)[N] ；(4)多模式通信網(wǎng)關(guān)對遠(yuǎn)端天線單元表中所對應(yīng)各井下移動終端在一定時間內(nèi)的信號強度參數(shù)加權(quán)求和計算統(tǒng)計平均值W，并與判決閾值Pinit比較；(5)多模式通信網(wǎng)關(guān)僅針對;的天線進(jìn)行發(fā)送功率分配，選擇K(KSn)
個大于門限值的射頻天線，并根據(jù)平均功率分配規(guī)則P(n)(k) =Ps / K配置相應(yīng)的發(fā)送功率(Ps為發(fā)送總功率)，實現(xiàn)選擇無線信道較好的天線與井下移動終端通信；(6)每次功率分配和天線選擇過程是在每個運行周期中重復(fù)以上(I)~(5)步驟。
[0042]參照圖6，描述的是多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)的混合式耦合器工作原理框圖，混合式率禹合器63L本質(zhì)上為90°相移的3dB正交稱合器,可以交叉稱合所有MIMO信號,該f禹合器充當(dāng)?shù)氖怯糜谘a償井下環(huán)境移動終端“遠(yuǎn)近效應(yīng)”所導(dǎo)致的碼字之間的性能損失的MIMO預(yù)編碼電路。圖6示出的等式f和h分別表示90°相移的3dB正交耦合器的輸入與輸出端口的關(guān)系以及傳遞函數(shù)矩陣，傳遞函數(shù)矩陣hi被認(rèn)為是90°相移的3dB正交耦合器的MMO預(yù)編碼矩陣。通過將90°相移的3dB正交耦合器用到多模式礦井移動通信系統(tǒng)的分布式MMO天線系統(tǒng)中，可以將預(yù)編碼處理的性能放在MMO基站的天線端口，而不是在MMO基站物理信道處理中。根據(jù)本發(fā)明實施例中使用的混合式耦合器63L會使輸入信號正交，輸入端口 1、2與輸出端口 3、4之間的設(shè)備具有互易性，因此輸入端口和輸出端口交換后得到的傳遞函數(shù)矩陣h仍然相同，從而使本發(fā)明在不影響MIMO空間復(fù)用的情況下提供組合MMO信號的能力。
[0043]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人應(yīng)該明白，上述本發(fā)明所涉及的各模塊和各方法步驟，除作為移動通信系統(tǒng)用于煤礦井下環(huán)境外，通過適當(dāng)集成或改進(jìn)后也適用于金屬和非金屬礦井的移動監(jiān)控或移動計算，這樣本發(fā)明不限制除礦井移動通信之外的移動監(jiān)控和移動計算等通信【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0044]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施例方式對本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明設(shè)計思路的前提下，還可進(jìn)行適當(dāng)?shù)母暮吞鎿Q，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書所涉及的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多模式礦井無線通信網(wǎng)關(guān)，其特征在于，所述通信網(wǎng)關(guān)被配置成包含混合式耦合器、4X4光開關(guān)矩陣、加法電路、網(wǎng)關(guān)處理單元、SISO / MMO接入模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊、無線接口模塊、光接口和總線接口，所述通信網(wǎng)關(guān)耦合到通信基站，并通過光鏈路與天線單元或射頻單元進(jìn)行通信；其特征還在于， 所述通信網(wǎng)關(guān)能夠選擇多個操作模式工作，操作模式包括SISO模式、MIMO模式和混合模式:在SISO模式工作時，所述通信網(wǎng)關(guān)通過光開關(guān)矩陣選擇處理SISO信號，在MMO模式工作時，所述通信網(wǎng)關(guān)通過光開關(guān)矩陣選擇處理MMO信號，在混合模式工作時，所述通信網(wǎng)關(guān)通過加法電路組合處理SISO和MMO的輸出信號； 所述通信網(wǎng)關(guān)動態(tài)地將通信系統(tǒng)從SISO模式切換到MMO模式和混合模式，由耦合器正交耦合MMO輸入信號和完成MMO預(yù)編碼處理，并通過加法電路將SISO信號和MMO信號進(jìn)行組合后被配置成接收所述耦合器的輸出信號，為井下通信裝置提供16路無線電信信道和/或16路經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的光信道；以及 所述通信網(wǎng)關(guān)中，SISO / MMO接入模塊被配置成采用WCDMA和/或WiF1、TD_LTE和/或WiMAX空中接口分別輸出SISO信號、MMO信號，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊被配置成在上行或者下行方向為路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊被配置成將經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的WCDMA、WiF1、TD-LTE和WiMAX業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并觸發(fā)網(wǎng)間切換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)間切換方法，其特征在于實現(xiàn)步驟包括: (1)井下移動終端通過所述通信網(wǎng)關(guān)向所承載業(yè)務(wù)的SISO基站或MMO基站發(fā)起網(wǎng)絡(luò)切換請求，所述通信網(wǎng)關(guān)觸發(fā)系統(tǒng)控制器并激活相應(yīng)的通信基站和無線接口模塊與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信； (2)井下移動終端向當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)(SIS0或ΜΜ0)發(fā)起模式切換請求，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基站和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)基站(SIS0或ΜΜ0)對井下移動終端的切換時間Thandve,進(jìn)行估計； (3)井下移動終端周期性監(jiān)測其接收到SISI基站或MIMO基站的信號強度RSSI，直至監(jiān)測到該信號強度大于設(shè)定的判決閾值Pinit時為止，此時的時間為Tinit ； (4)井下移動終端以Tinteval為周期對接收到SISO基站或MIMO基站的信號強度分別進(jìn)行采樣，得到采樣序列X1和X2,并進(jìn)行加權(quán)平滑方法處理，得到信號強度序列Y1和Y2 ； (5)若YjPY2滿足|Y1-Y2-(Pkx1-Pkx2)|≤ ε則完成切換估計，其中，ε為一個很小的正數(shù)，Pexi為井下移動終端在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的接收靈敏度，Pex2為井下移動終端在切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的接收靈敏度； (6)變換采樣步長值，重復(fù)步驟(4)和(5)繼續(xù)下一組采樣序列預(yù)測，直至完成切換為止，得到網(wǎng)間最佳切換時間的預(yù)測值Th—=Tinit+nTinteval。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通信網(wǎng)關(guān)的切換方法，其特征在于天線選擇的方法步驟包括: (1)所述通信網(wǎng)關(guān)周期性地監(jiān)測各個遠(yuǎn)端天線單元所接收的井下移動終端信號，對第i個天線單元與井下移動終端接收信號強度(RSSI)參數(shù)值建立映射關(guān)系i — RSS(i) [i]，并對接收到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和切換目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的信號強度進(jìn)行估計； (2)所述通信網(wǎng)關(guān)依據(jù)對各井下移動終端的監(jiān)測結(jié)果，更新天線單元映射表中井下移動終端的信號強度參數(shù)RSS(n)[N]；(3)所述通信網(wǎng)關(guān)對N時間內(nèi)各天線單元所對應(yīng)的井下移動終端的各次信號強度RSS⑴[i]加權(quán)求和后計算統(tǒng)計平均值;^，并將得出的統(tǒng)計平均值;與判決閾值Pinit比較； (4)所述通信網(wǎng)關(guān)選擇K個信號強度大于判決閾值的天線單元，并根據(jù)平均功率分配規(guī)則P(i)(k)=Ps / K配置相應(yīng)的發(fā)送功率(Ps為發(fā)送總功率)，實現(xiàn)選擇無線信道較好的天線與井下移動終端通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信網(wǎng)關(guān)，其特征在于，總線接口包括CAN總線接口、PROFIBUS總線接口、LONWORKS總線接口、FF總線接口和RS232 / 485通訊接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信網(wǎng)關(guān)，其特征在于，所述通信網(wǎng)關(guān)通過耦合器與基站耦合，并被配置為在相應(yīng)的第一天線端口和第二天線端口接收來自基站的所述第一信號和所述第二信號，并且在至少一個輸出端口上提供輸出信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信網(wǎng)關(guān)，其特征在于包括: 裝置，網(wǎng)關(guān)處理單元，用于基帶處理、接收并處理接收到的調(diào)制碼元以提供發(fā)送信號的調(diào)制碼元的估計，以及對發(fā)射機(jī)的MMO信道處理、多路分解、數(shù)字IF處理和下變頻處理；裝置，混合式耦合器，為3db的正交耦合器，并且被配置為在多個輸出端口上輸出多個輸出信號，構(gòu)成所屬多個輸出信號中至少一個相對另一個是正交相移的； 裝置，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，被配置成封裝WCDMA、TD-LTE, WiMAX和WiFi空中接口，并在上行或者下行方向為路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式； 裝置，路 由轉(zhuǎn)發(fā)模塊，被配置成將經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的WCDMA、TD-LTE, WiMAX和WiFi業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過移動IP轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。 裝置，被配置成包含多個天線端口，用于與遠(yuǎn)端天線單元耦合以及接收遠(yuǎn)端天線單元的已調(diào)信號并為上行鏈路發(fā)送信號； 裝置，被配置成包含CAN總線接口、PROFIBUS總線接口、LONWORKS總線接口、FF總線接口和RS232 / 485通訊接口 ；以及 裝置，被配置成包含以太網(wǎng)接口、無源光接口以及具有井下防爆功能的外殼。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信網(wǎng)關(guān)，其特征在于，所述通信網(wǎng)關(guān)為本質(zhì)安全型防爆裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信裝置包括基站、手持移動臺、車載移動臺和無線通信終端。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其特征在于包括WCDMA網(wǎng)絡(luò)、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)、WiMAX網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)。
【文檔編號】H04W36/14GK103889014SQ201410136767
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】張帆 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)