孫繼平， 徐卿

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)， 北京 100083)

0 引言

礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)是提高救援效率、減少人員傷亡的重要工具，在煤礦事故應(yīng)急救援和安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[1-3]。在煤礦井下發(fā)生事故后，礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)仍能為井下遇險人員提供與地面調(diào)度室通信，是救災(zāi)指揮部了解井下災(zāi)情、被困人員位置和狀況，指導(dǎo)被困人員自救的關(guān)鍵裝備[4-5]。目前，煤礦沒有專用礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)，均采用礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)兼作礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)。礦用有線調(diào)度通信系統(tǒng)不需要井下供電，只要電纜不斷、電話不壞，就可正常工作，可靠性較高[6]。但當(dāng)事故導(dǎo)致斷纜時，系統(tǒng)將不能為井下遇險人員提供與地面的通信[1]。因此，需要研究無通信電纜和光纜的礦井無線應(yīng)急通信系統(tǒng)。

礦井透地通信系統(tǒng)可穿透煤巖，實(shí)現(xiàn)井下與地面通信。但礦井透地通信系統(tǒng)工作頻率低、傳輸速率低，為滿足雙向通信，需要在井下設(shè)置百余米的發(fā)射線圈，易受礦井事故災(zāi)害的影響[1]。所以,礦井透地通信系統(tǒng)不能用于礦井應(yīng)急通信。

煤礦井下無線傳輸衰減大，無線發(fā)射功率受防爆限制，傳輸距離近，難以滿足10 km傳輸距離要求[7]。為解決礦井無線傳輸衰減大、無線發(fā)射功率受限與應(yīng)急通信距離遠(yuǎn)的矛盾，文獻(xiàn)[1]提出了多級無線中繼的礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)。但Mesh等常用的自組網(wǎng)和無線中繼技術(shù)中繼跳數(shù)少[8-12]，難以滿足礦井應(yīng)急通信數(shù)十跳的要求。因此，有必要研究礦井無線中繼通信特點(diǎn)、提出多達(dá)數(shù)十跳的礦井無線中繼應(yīng)急通信系統(tǒng)實(shí)施方法，解決鏈路設(shè)計、無線信道分配、通信斷點(diǎn)恢復(fù)等問題。

1 Mesh自組網(wǎng)無線通信

Mesh自組網(wǎng)無線通信(以下簡稱Mesh)是近年來應(yīng)用最多的多跳無線中繼通信。Mesh采用多跳路由、對等網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，具有連續(xù)動態(tài)自組網(wǎng)、自主管理、自我恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)[8-11]?；赪iFi+Mesh的救災(zāi)通信系統(tǒng)，移動終端由救護(hù)隊員攜帶，具有語音通信、視頻監(jiān)視、環(huán)境溫度和氣體(一氧化碳、氧氣、甲烷、二氧化碳)監(jiān)測及救護(hù)隊員心跳、體溫和姿態(tài)監(jiān)測等功能。當(dāng)無線通信距離不能滿足要求時，通過便攜式中繼器無線中繼，但中繼跳數(shù)有限，中繼距離近[13]。

礦井應(yīng)急通信與礦井救災(zāi)通信不同，適于救護(hù)隊員沒有到達(dá)災(zāi)變現(xiàn)場或無法到達(dá)災(zāi)變現(xiàn)場的條件下使用，傳輸距離遠(yuǎn)(達(dá)10 km)。將Mesh用于礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)，存在著中繼跳數(shù)少、中繼距離短等問題，難以滿足礦井無線中繼10 km的要求。

Mesh具備多跳路由優(yōu)化能力，在網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過降低網(wǎng)絡(luò)中的最大中繼級數(shù)，提高鏈路性能[10]。在煤礦井下，無線傳輸受巷道延伸方向限制，中繼鏈路在巷道中呈鏈狀分布，整體網(wǎng)絡(luò)呈樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，礦井無線中繼傳輸，除冗余節(jié)點(diǎn)外，不存在可優(yōu)化的無線路由，系統(tǒng)無線覆蓋范圍取決于通信網(wǎng)絡(luò)的最大中繼級數(shù)和無中繼無線傳輸距離。

Mesh的最大中繼級數(shù)受各級中繼節(jié)點(diǎn)的帶寬損失影響[10-11]。Mesh在多跳通信時，每經(jīng)過一級中繼轉(zhuǎn)發(fā)，鏈路的有效帶寬均會下降；在中繼級數(shù)增加到一定程度時，丟包率顯著增加，直至無法滿足通信需求[10-11]。

礦井無線傳輸衰減大。在礦井無線發(fā)射功率(含天線增益)受6 W限制的條件下，平直巷道的無線傳輸距離一般不大于800 m[7]。巷道彎曲、分支、起伏等進(jìn)一步加大了礦井無線傳輸衰減[7]。Mesh中繼跳數(shù)少，難以滿足礦井無線中繼應(yīng)急通信距離的需求。

2 礦井無線中繼通信特點(diǎn)

礦井無線中繼通信具有如下特點(diǎn)：① 無線發(fā)射功率受防爆限制(不大于6 W)，礦井無線傳輸衰減大，無線傳輸距離近。② 在保證井下工作的各無線通信設(shè)備互不干擾，出井后不影響地面無線設(shè)備正常工作的前提下，工作頻段不受限制，煤礦井下無線頻譜資源豐富。③ 中繼鏈路在巷道中呈鏈狀分布，整體網(wǎng)絡(luò)呈樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

煤礦井下開采深度達(dá)數(shù)百米，最深達(dá)千余米。地面無線電波難以到達(dá)井下，井下無線電波也難以到達(dá)地面。因此，僅在煤礦井下使用的無線通信設(shè)備，在保證在井下工作互不干擾，出井后不影響地面無線設(shè)備正常工作的前提下，工作頻段不受限制。因此，煤礦井下無線頻譜資源豐富。礦井無線中繼應(yīng)急通信系統(tǒng)可充分利用煤礦井下無線頻譜資源豐富的特點(diǎn)，采用收發(fā)異頻全雙工和子信道頻分多路復(fù)用，通過雙工器及頻帶濾波器實(shí)現(xiàn)無線電信號同時和連續(xù)收發(fā)。

煤礦井下巷道呈多分支樹形結(jié)構(gòu)，無線傳輸路徑狹長，鏈路中繼級數(shù)多，沒有網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)路由優(yōu)化需求。礦井無線中繼應(yīng)急通信系統(tǒng)的中繼站固定布置在巷道中，手機(jī)等無線終端節(jié)點(diǎn)移動速度慢，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及主要鏈路路由相對固定；分布于狹長巷道的無線中繼站獲取全局基站鏈接信息周期長、開銷大，時鐘同步困難，難以進(jìn)行全局的協(xié)同控制。

3 礦井無線中繼應(yīng)急通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

為解決煤礦事故造成斷纜(電纜或光纜)影響礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)的問題，筆者提出了礦井無線中繼應(yīng)急通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法：將數(shù)據(jù)傳輸鏈路與協(xié)議控制鏈路分離，提高了鏈路控制的靈活性和路由協(xié)議信令的傳輸效率；鏈路中各基站的收/發(fā)頻段與子信道頻率按照基站的物理排列順序進(jìn)行設(shè)置，解決了各級中繼站收發(fā)相互干擾的問題；采用系統(tǒng)鏈路解耦的中繼鏈路結(jié)構(gòu)，鏈路中各個中繼站可與前級和后級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)交換，解決了多級中繼帶來的帶寬損失、中繼時延以及系統(tǒng)穩(wěn)定性問題；區(qū)段式空間復(fù)用的中繼站頻分子信道劃分方式，解決了頻分信道資源受限的問題；基于固定節(jié)點(diǎn)的透傳式路由策略,簡化了逐級路由尋址和路由發(fā)現(xiàn)過程，提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率；正常鏈路的冗余基站下掛式路由策略，避免了主節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)混合傳輸帶來的信道干擾問題；冗余基站、移動終端橋接、本地接入?yún)f(xié)同的鏈路斷點(diǎn)恢復(fù)方法，提高了鏈路的抗故障能力。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸鏈路與協(xié)議控制鏈路分離

為提高礦井無線中繼應(yīng)急通信系統(tǒng)鏈路控制的靈活性和路由協(xié)議信令的傳輸效率，在異頻全雙工收發(fā)和頻分子信道多路復(fù)用的基礎(chǔ)上，筆者提出了將數(shù)據(jù)傳輸鏈路與協(xié)議控制鏈路分離的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在各中繼站中，協(xié)議控制專用信道由2個窄帶高靈敏度無線電收發(fā)機(jī)構(gòu)成，對其進(jìn)行分時接入；數(shù)據(jù)傳輸信道由多個獨(dú)立的寬帶無線電收發(fā)機(jī)構(gòu)成，對其按頻分子信道復(fù)用方式進(jìn)行分頻接入。在無線鏈接質(zhì)量良好時，協(xié)議控制專用信道專用于傳輸組網(wǎng)與路由維護(hù)相關(guān)信令，數(shù)據(jù)傳輸信道專用于用戶數(shù)據(jù)收發(fā)；在信道質(zhì)量不足以滿足數(shù)據(jù)傳輸鏈路的信息傳輸帶寬時，僅將協(xié)議控制專用信道對應(yīng)的無線電收發(fā)單元接入射頻鏈路，將其復(fù)用為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，用于傳輸窄帶字符及重要數(shù)據(jù)信息。中繼站頻譜與信道分配如圖1所示。

圖1 中繼站頻譜與信道分配Fig.1 Spectrum and channel allocation of relay stations

3.2 數(shù)據(jù)鏈路中繼傳輸方法

在上述中繼站的頻譜與信道分配的基礎(chǔ)上，筆者提出了礦井無線中繼應(yīng)急通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路中繼傳輸方法。鏈路中各基站的收/發(fā)頻段與子信道頻率按照基站的物理排列順序進(jìn)行設(shè)置，如圖2所示，圖中物理位置標(biāo)號為1,2,…,i,i+1,i+2,…,N(i為奇數(shù)，N表示基站的最大位置編號)的中繼站依次安裝于礦井巷道中。

利用雙工濾波器的頻段隔離特性，各中繼站的CHA、CHB頻段的收/發(fā)模式按如下規(guī)則進(jìn)行設(shè)置：物理位置標(biāo)號為1,3,…,i,i+2,…,N1(N1表示基站的最大奇數(shù)位置編號)的中繼站采用CHA頻段接收，CHB頻段發(fā)射；物理位置標(biāo)號為2,4,…,i+1,i+3,…,N2(N2表示基站的最大偶數(shù)位置編號)的中繼站采用CHB頻段接收，CHA頻段發(fā)射。

利用礦井巷道無線衰減大及傳輸距離近的特點(diǎn)，筆者提出了區(qū)段式空間復(fù)用的中繼站頻分子信道劃分方式，解決了頻分信道資源受限的問題。不處于分支巷道交匯處的各無線中繼站，其CHA、CHB頻段中所使用的頻分子信道按基站的物理安裝順序，以CHB1和CHB3發(fā)、CHA1和CHA3收，CHA1和CHA2發(fā)、CHB1和CHB2收，CHB2和CHB3發(fā)、CHA2和CHA3收，CHA1和CHA3發(fā)、CHB1和CHB3收，CHB1和CHB2發(fā)、CHA1和CHA2收，CHA2和CHA3發(fā)、CHB2和CHB3收進(jìn)行循環(huán)分配，各個頻分子信道的收/發(fā)方式由其所處頻段的收發(fā)規(guī)則決定。

圖2 數(shù)據(jù)鏈路中繼Fig.2 Data link relay

中繼站的兩頻段CHA和CHB收/發(fā)間隔設(shè)置，設(shè)置為發(fā)射頻段內(nèi)的2個頻分子信道用于向前級和后級節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；設(shè)置為接收頻段內(nèi)的2個頻分子信道用于接收來自前級和后級節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。前級和后級節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流與中繼站本地待收和待發(fā)數(shù)據(jù)流由中繼站的基帶單元，按路由協(xié)議進(jìn)行集中數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)中繼站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及本地數(shù)據(jù)的上傳與下載，完成數(shù)據(jù)鏈路中繼傳輸功能。

區(qū)段式空間復(fù)用的中繼站頻分子信道劃分方法將中繼鏈路按節(jié)點(diǎn)間關(guān)系分解為獨(dú)立子鏈路，各個獨(dú)立子鏈路雙工收發(fā)，信道頻分復(fù)用，彼此間互不干擾。利用礦井巷道無線衰減大及傳輸距離近的特性，對中繼站的頻分子信道進(jìn)行每3個站循環(huán)復(fù)用，解決了頻分信道資源受限的問題。各個中繼站可連續(xù)與前級和后級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，減少了多級中繼產(chǎn)生的累計傳輸時延，解決了多級中繼產(chǎn)生的帶寬損失及中繼級數(shù)受限問題。

固定安裝在巷道中的各基站僅需要在基站安裝后，按上述方法進(jìn)行一次頻段分配。正常工作時，不改變其收發(fā)頻段及頻分子信道與前級和后級節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，不需要與前級和后級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收發(fā)時序及信道切換的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)了各子鏈路的控制解耦。采用數(shù)據(jù)鏈路中繼傳輸方法的中繼站不需要進(jìn)行時鐘同步，任何一個子鏈路失效不會對其他子鏈路產(chǎn)生干擾。各中繼站僅需要將斷開鏈路的中繼數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，在信道恢復(fù)時，恢復(fù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)鏈路失效重連，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.3 頻分子信道復(fù)用

為解決頻分信道資源受限的問題，利用礦井巷道無線傳輸距離近的特點(diǎn)，對各節(jié)點(diǎn)的頻分子信道進(jìn)行區(qū)段式空間復(fù)用。單一巷道數(shù)據(jù)鏈路信道復(fù)用方式如圖3所示，在無分支巷道的單鏈路中繼系統(tǒng)中，考慮中繼站傳輸距離覆蓋左右各2個節(jié)點(diǎn)的情況下，各頻段僅需要分配3個子信道用于無線中繼鏈路，1個子信道用于協(xié)議控制鏈路。

多分支巷道數(shù)據(jù)鏈路頻分子信道復(fù)用方式如圖4所示，各基站標(biāo)號前置數(shù)字代表巷道編號，后置數(shù)字代表同巷道中基站排列編號。其中標(biāo)號為1-i的中繼站位于分支節(jié)點(diǎn)處，包含主巷道在內(nèi)共有4個獨(dú)立的鏈路方向，1-i中繼站CHA/B頻段中各劃分有4個子信道用于無線中繼鏈路，其中CHA4/CHB4、CHA5/CHB5分別用于鏈接2分支巷道的2-1、3-1中繼站，其余各基站子信道復(fù)用方式與單鏈路中繼保持一致。因此，系統(tǒng)所需頻分子信道的最大值由礦井巷道最大分支數(shù)決定。在分支巷道最大分支數(shù)確定的情況下，系統(tǒng)最大中繼級數(shù)不會受頻分子信道的數(shù)量限制。

圖4 多分支巷道數(shù)據(jù)鏈路信道復(fù)用方式Fig.4 Multi-branch roadway data link channel multiplexing mode

3.4 基于固定節(jié)點(diǎn)的透傳式路由策略

為解決多級無線中繼逐級路由尋址和路由發(fā)現(xiàn)帶來的鏈路開銷問題，結(jié)合井下無線傳輸距離近、傳輸方向單一且確定、基站固定安裝的特點(diǎn)，提出了基于固定節(jié)點(diǎn)的透傳式路由策略。煤礦井下固定安裝的各無線中繼站形成了相對穩(wěn)定的主鏈路路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以按照礦井巷道的延伸方向?qū)⒙酚珊唵蔚貏澐譃樯闲?下行結(jié)構(gòu)。信息源節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)存儲器中的固定節(jié)點(diǎn)路由表，明確目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相對于本節(jié)點(diǎn)的上行和下行位置，在數(shù)據(jù)包頭附上目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備號后，直接向目標(biāo)傳輸路徑所在方向的子鏈路進(jìn)行透傳式發(fā)送。

除分支巷道口處的中繼節(jié)點(diǎn)外，其他各級中繼節(jié)點(diǎn)無需進(jìn)行逐級路由尋址，僅需對數(shù)據(jù)包頭的設(shè)備號進(jìn)行滑動窗口過濾。非本機(jī)接收的數(shù)據(jù)包，在進(jìn)行完整校驗(yàn)后將直接采用透傳方式通過子鏈轉(zhuǎn)發(fā)給下一級節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至分支節(jié)點(diǎn)時，由分支節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由表進(jìn)行分支巷道方向的判斷，選擇對應(yīng)巷道方向的子鏈進(jìn)行透傳轉(zhuǎn)發(fā)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流時，滑動檢索到數(shù)據(jù)包頭為本機(jī)設(shè)備號，在進(jìn)行完整的數(shù)據(jù)包接收和校驗(yàn)后，將目標(biāo)數(shù)據(jù)從中繼數(shù)據(jù)流中下載下來，釋放數(shù)據(jù)流。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在進(jìn)行數(shù)據(jù)包校驗(yàn)后，由路由控制鏈路向前一級節(jié)點(diǎn)反饋ACK信令，完成數(shù)據(jù)收發(fā)的全過程。基于固定節(jié)點(diǎn)的透傳式路由策略簡化了逐級路由尋址和路由發(fā)現(xiàn)過程，提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率，減小了協(xié)議對鏈路的開銷。

路由轉(zhuǎn)發(fā)如圖5所示，節(jié)點(diǎn)采用巷道標(biāo)號-設(shè)備標(biāo)號的形式進(jìn)行標(biāo)記，圖中舉例描述了在多分支巷道中，2-89節(jié)點(diǎn)向1-94節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)及1-57節(jié)點(diǎn)向3-80節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的完整路由路徑。

3.5 鏈路斷點(diǎn)路由恢復(fù)方法

煤礦井下發(fā)生事故后，受爆炸沖擊波、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、頂板冒落等影響，巷道中的無線天線、射頻饋線、有線電纜和光纜、基站設(shè)備等會發(fā)生損毀，頂板冒落物會造成無線傳輸損耗增大，原有無線鏈路預(yù)算可能無法滿足傳輸要求，在數(shù)據(jù)鏈路中形成通信斷點(diǎn)和信息孤島。礦井應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)具有抗災(zāi)變能力，當(dāng)出現(xiàn)通信斷點(diǎn)和信息孤島時，能快速自組織和自恢復(fù)，將未損毀節(jié)點(diǎn)盡可能快速重組，并充分利用可鏈接的有線或無線鏈路打通通信斷點(diǎn)。

圖5 路由轉(zhuǎn)發(fā)Fig.5 Routing forwarding

為提高鏈路的抗故障能力，筆者提出了冗余基站、移動終端橋接、本地接入?yún)f(xié)同的鏈路斷點(diǎn)路由恢復(fù)方法。冗余基站掉線不影響中繼鏈路，非連續(xù)主鏈路中繼站掉線，冗余基站直接替換；發(fā)生多個連續(xù)基站掉線時，采用單個或多個移動終端透傳橋接鏈路斷點(diǎn)；兼容有線通信鏈路，有線鏈路斷點(diǎn)處的無線中繼站將有線鏈路數(shù)據(jù)作為本地數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

3.5.1 固定基站冗余鏈路自恢復(fù)

為防止單一節(jié)點(diǎn)損壞導(dǎo)致通信中斷的情況，分布于巷道中的各個固定無線基站采用冗余布置，每個無線基站至少可與左右任意方向的2個基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在礦井巷道發(fā)生災(zāi)害事故后，若鏈路中發(fā)生非連續(xù)性節(jié)點(diǎn)掉線，或無線傳輸未發(fā)生完全阻塞時，可利用各基站的鏈路冗余度接替原有掉線設(shè)備或打通阻塞區(qū)域。

為減小中繼級數(shù)帶來的傳輸開銷，中繼鏈路中的冗余節(jié)點(diǎn)以終端模式掛載于前一中繼節(jié)點(diǎn)上，在前級中繼節(jié)點(diǎn)正常時不參與中繼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，避免了主節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)混合傳輸帶來的信道干擾問題。當(dāng)發(fā)生中繼鏈路非連續(xù)性節(jié)點(diǎn)失效時，臨近節(jié)點(diǎn)將對其進(jìn)行原工作狀態(tài)校驗(yàn)：若失效節(jié)點(diǎn)為以終端模式掛載于前級中繼的冗余節(jié)點(diǎn)，則不影響正常雙工數(shù)據(jù)傳輸；若失效節(jié)點(diǎn)為用于中繼數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，以終端模式掛載在其上的冗余節(jié)點(diǎn)在判斷原中繼節(jié)點(diǎn)失效時，應(yīng)立即將原中繼節(jié)點(diǎn)的工作模式應(yīng)用于本機(jī)，物理層收發(fā)頻率和信道選擇與原中繼節(jié)點(diǎn)保持一致，直接轉(zhuǎn)接原中繼節(jié)點(diǎn)的中繼數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)不影響原中繼數(shù)據(jù)鏈路的冗余節(jié)點(diǎn)無縫切換。

在完成上述操作后，臨近節(jié)點(diǎn)需向鏈路的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送局部路由維護(hù)信令，報備失效節(jié)點(diǎn)信息，完成路由維護(hù)功能。

3.5.2 移動終端節(jié)點(diǎn)的橋接恢復(fù)

當(dāng)連續(xù)發(fā)生多個主中繼節(jié)點(diǎn)及冗余節(jié)點(diǎn)損壞時，首先嘗試由終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接的中繼橋接。處于鏈路斷點(diǎn)處的終端節(jié)點(diǎn)，將向鏈路斷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的中繼站發(fā)送組網(wǎng)請求信令，若成功與處于斷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的中繼站進(jìn)行握手鏈接，表明已成功繞過失效區(qū)域節(jié)點(diǎn)，鏈接了原有中繼鏈路。此時，掛載終端節(jié)點(diǎn)的前一級中繼站將向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送臨時中繼信令，由該終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)主鏈路的中繼數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單級終端的直接橋接恢復(fù)。

當(dāng)單個移動終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一段時間的重連嘗試后，判斷其無法直接與原有中繼鏈路建立鏈接時，處于鏈路斷點(diǎn)處的終端節(jié)點(diǎn)需要向其他終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)請求信令。鏈路中斷區(qū)域中的各終端節(jié)點(diǎn)，在與其進(jìn)行組網(wǎng)握手鏈接后，將判斷是否可以與中斷區(qū)域內(nèi)的中繼站進(jìn)行鏈接。若無法進(jìn)行鏈接，將轉(zhuǎn)發(fā)該信令，繼續(xù)進(jìn)行組網(wǎng)請求。若可與斷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的中繼站進(jìn)行有效鏈接，將由位于斷點(diǎn)下行方向的終端節(jié)點(diǎn)向鏈路上行方向的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信令回傳，直至鏈路上行方向斷點(diǎn)處的中繼站。由該基站將根據(jù)回傳的信息向與其鏈接的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送臨時中繼信令，各個終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)該信令進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)透傳轉(zhuǎn)發(fā)，恢復(fù)通信斷點(diǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)多級終端的橋接恢復(fù)。

在多級終端節(jié)點(diǎn)仍無法恢復(fù)原有鏈路時，需通過掛載于通信斷點(diǎn)附近的移動終端節(jié)點(diǎn)采用人工移動或自主移動的方式接近通信斷點(diǎn)所在區(qū)域，在移動過程中進(jìn)行實(shí)時路由發(fā)現(xiàn)，通過嘗試終端節(jié)點(diǎn)的移動補(bǔ)位，恢復(fù)鏈路斷點(diǎn)鏈接。在2個或多個終端節(jié)點(diǎn)通過路由發(fā)現(xiàn)重組斷點(diǎn)鏈接時，根據(jù)上述規(guī)則，通過終端節(jié)點(diǎn)對的數(shù)據(jù)透傳，完成通信斷點(diǎn)的橋接恢復(fù)。

移動終端節(jié)點(diǎn)的橋接鏈路恢復(fù)主要包含無線電斷點(diǎn)補(bǔ)位導(dǎo)航、自組網(wǎng)鏈路擴(kuò)展、橋接數(shù)據(jù)透傳3個功能單元。其中，無線電斷點(diǎn)補(bǔ)位導(dǎo)航主要用于引導(dǎo)移動終端節(jié)點(diǎn)通過人工移動或自主移動的方式向通信斷點(diǎn)區(qū)域深入。各移動終端節(jié)點(diǎn)首先通過查詢?nèi)致酚杀?，根?jù)所鏈接的無線中繼站路由信息確定所在巷道區(qū)段，向該無線終端攜帶人員或移動裝置提供移動方向?qū)Ш叫畔?。根?jù)該無線終端節(jié)點(diǎn)與固定基站通信的信號強(qiáng)度RSSI，預(yù)估其所在巷道區(qū)段的位置，向該無線終端攜帶人員或移動裝置提供移動距離導(dǎo)航信息。

自組網(wǎng)鏈路擴(kuò)展通過終端節(jié)點(diǎn)移動過程中的組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)與組網(wǎng)握手嘗試與通信斷點(diǎn)所在區(qū)域的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鏈路連接。在終端節(jié)點(diǎn)移動過程中，通信斷點(diǎn)所在區(qū)域的任意固定中繼站成功與其進(jìn)行組網(wǎng)握手，則表明已打通斷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的部分鏈路，此時將該信息反饋至終端節(jié)點(diǎn)圖形化顯示界面或移動設(shè)備載體，終止本次無線電斷點(diǎn)補(bǔ)位導(dǎo)航；當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)移動至鏈路預(yù)算最大范圍附近，或由于物理障礙無法繼續(xù)前進(jìn)時，仍未與通信斷點(diǎn)所在區(qū)域的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)握手，則表明無線通信中斷距離大于單級無線中繼的傳輸距離，終止本次無線電斷點(diǎn)補(bǔ)位導(dǎo)航，進(jìn)一步深入的補(bǔ)位動作由其他可移動終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

在各移動終端節(jié)點(diǎn)完成中繼斷點(diǎn)區(qū)域的自組網(wǎng)鏈路擴(kuò)展后，由于路由關(guān)系不確定，為防止路由關(guān)系頻繁變化影響鏈路傳輸?shù)目煽啃?，不對各移動終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全局路由維護(hù)。處于原通信斷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的各移動終端節(jié)點(diǎn)將根據(jù)新建立的組網(wǎng)鏈接關(guān)系進(jìn)行雙工數(shù)據(jù)透傳，完成對原有鏈路的數(shù)據(jù)橋接。

3.5.3 本地有線接入?yún)f(xié)同

為有效兼容礦井中現(xiàn)有的有線通信鏈路，同時不破壞無線中繼路由協(xié)議，將無線中繼站作為終端設(shè)備，通過以太網(wǎng)交換機(jī)掛載于礦井下的以太網(wǎng)中[14]，各中繼站的IP由以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行分配。鏈路中各固定基站在進(jìn)行無線中繼數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，將由本地產(chǎn)生的收發(fā)數(shù)據(jù)，通過接口發(fā)送至以太網(wǎng)交換機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)流IP封裝后進(jìn)行上行傳輸；以太網(wǎng)交換機(jī)將以太網(wǎng)中的有效數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備IP地址進(jìn)行數(shù)據(jù)分揀與解包，將處理好的數(shù)據(jù)通過接口回發(fā)至中繼站，實(shí)現(xiàn)中繼站與以太網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)交換。

無線中繼系統(tǒng)為串級傳輸鏈路，每級中繼站收發(fā)的數(shù)據(jù)中，僅有少數(shù)為有效的本機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)，絕大部分為轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)容。為避免各中繼站向以太網(wǎng)收發(fā)大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，增加鏈路傳輸及處理負(fù)擔(dān)，在鏈路正常時，各中繼站僅將本機(jī)新產(chǎn)生與待接收的數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不對其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行有線鏈路傳輸。

在有線鏈路發(fā)生中斷時，位于斷點(diǎn)處的以太網(wǎng)交換機(jī)將檢測到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸超時，交換機(jī)將超時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至位于有線鏈路斷點(diǎn)處的無線中繼站，中繼站將該數(shù)據(jù)作為本地數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，中繼傳輸方向與有線鏈路中斷方向保持一致，各級中繼站在接收到該轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，都將按照原路由信息進(jìn)行本地有線傳輸請求，若未發(fā)生有線傳輸超時則表明有線鏈路已于該節(jié)點(diǎn)處恢復(fù)，此時將不再對其進(jìn)行無線中繼轉(zhuǎn)發(fā)；若本地傳輸請求仍超時，則繼續(xù)進(jìn)行無線中繼轉(zhuǎn)發(fā)，直至將該數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)無線鏈路發(fā)生中斷時，位于斷點(diǎn)處的中繼站將檢測到無線中繼數(shù)據(jù)傳輸超時，此時中繼站將不區(qū)分是否為本機(jī)數(shù)據(jù)，將中繼鏈路的收發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入至以太網(wǎng)交換機(jī)，以太網(wǎng)交換機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)包中的設(shè)備地址對其進(jìn)行IP封裝，由以太網(wǎng)進(jìn)行有線鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。位于無線鏈路斷點(diǎn)區(qū)域中的中繼站，由該區(qū)域中的以太網(wǎng)交換機(jī)按照數(shù)據(jù)包的IP地址進(jìn)行分揀解包，并分發(fā)給對應(yīng)中繼站，恢復(fù)原有的無線數(shù)據(jù)鏈路傳輸。

在語音數(shù)據(jù)的接收處理方面，由于有線/無線鏈路數(shù)據(jù)到達(dá)各個節(jié)點(diǎn)的時間不同步，為充分利用雙鏈路數(shù)據(jù)的傳輸帶寬，同時減少數(shù)據(jù)質(zhì)量評判與鏈路切換控制開銷，采用數(shù)據(jù)池對語音數(shù)據(jù)流進(jìn)行連續(xù)的接收緩沖。各節(jié)點(diǎn)在收到來自有線/無線鏈路的語音數(shù)據(jù)包時，解析后不立即進(jìn)行播放，將其存儲于播放緩沖區(qū)，采用固定的延遲時間進(jìn)行滯后播放，形成待播放的數(shù)據(jù)池。緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不區(qū)分其有線/無線鏈路來源，按語音數(shù)據(jù)包的采集順序標(biāo)簽進(jìn)行排序，在任意鏈路的語音數(shù)據(jù)流發(fā)生滯后、誤碼、丟包時，可由緩沖區(qū)的對應(yīng)鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行彌補(bǔ)，從而有效提高語音播放的連續(xù)性與可靠性。

4 結(jié)論

(1) 礦井無線中繼通信具有如下特點(diǎn)：① 無線發(fā)射功率受防爆限制(不大于6 W)，礦井無線傳輸衰減大，無線傳輸距離近。② 在保證井下工作的各無線通信設(shè)備互不干擾，出井后不影響地面無線設(shè)備正常工作的前提下，工作頻段不受限制，煤礦井下無線頻譜資源豐富。③ 中繼鏈路在巷道中呈鏈狀分布，整體網(wǎng)絡(luò)呈樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(2) 提出了礦井無線中繼應(yīng)急通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法：將數(shù)據(jù)傳輸鏈路與協(xié)議控制鏈路分離，提高了鏈路控制的靈活性和路由協(xié)議信令的傳輸效率；鏈路中各基站的收/發(fā)頻段與子信道頻率按照基站的物理排列順序進(jìn)行設(shè)置，解決了各級中繼站收發(fā)相互干擾的問題；多射頻全雙工收發(fā)、頻分信道復(fù)用的中繼站架構(gòu)、前后級中繼站獨(dú)立且固定的頻分信道分配方式使系統(tǒng)鏈路解耦，鏈路中各個中繼站可與前后級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)交換，解決了多級中繼帶來的帶寬損失、中繼時延以及系統(tǒng)穩(wěn)定性問題；區(qū)段式空間復(fù)用的中繼站頻分子信道劃分方法解決了頻分信道資源受限的問題；基于固定節(jié)點(diǎn)的透傳式路由策略簡化了逐級路由尋址和路由發(fā)現(xiàn)過程，從而提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率；正常鏈路的冗余基站下掛式路由策略減小了中繼級數(shù)帶來的傳輸開銷，避免了主節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)混合傳輸帶來的信道干擾問題；冗余基站、移動終端橋接、本地接入?yún)f(xié)同的鏈路斷點(diǎn)恢復(fù)方法提高了鏈路的抗故障能力。