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井下无线通信研究与设计

李晓宇  
【摘要】:随着煤炭工业的迅速发展,煤炭机械化、信息化程度越来越高,安全生产要求通信网络能够覆盖整个矿洞。煤矿井下环境恶劣复杂,分支巷道和工作区对无线通信提出特殊的要求和挑战,几乎成为井下通信盲区。可靠的井下无线通信成为亟待解决的问题。 一方面,由于井下分支巷道是一个地形复杂的地下封闭式空间,对无线信号的传输干扰士分严重,导致点到点无线通信间距小且差错高。另一方面,由于井下分支巷道相对独立存在,分布在其中的节点有可能失效也可能随着工作而增加新的工作节点,导致网络结构容易发生变化。本文针对井下无线通信中存在的问题,提出一种易于实现的井下无线通信方案,设计了拥有结构简单、可动态拓扑、可靠传输等适应井下环境特点的井下无线传输协议,并结合设计出的符合协议规范的硬件设备,对协议的可靠性、稳定性、传输速率等性能进行实验测试。 本文的研究内容主要包括以下几个方面: (1)结合模式理论和几何光学法对井下巷道环境下无线信号传输特性进行建模和理论分析,以及衰减模型的仿真分析。 (2)在了解井下巷道中无线传输理论分析的基础之上,设计了井下无线传输协议的结构。系统地阐述了协议的层次划分,以及各层提供的主要服务。 (3)详细描述了设计物理链路及路由层的原理和方法。叙述了该层整体设计结构,提出并详细设计了一种多信道、多接口的分布式数据传输方案,并解决由此引发的信道分配问题。同时,在该层设计了能快速建立路由的机制,并且当网络结构发生变化时,设计了快速恢复网络路由的机制来对网络结构的变化做出快速的适应和响应。 (4)详细描述了传输应用层实现可靠数据传输的设计方法。阐述了井下无线传输协议在于扰严重的井下环境中如何实现数据的可靠交付和流量控制,并且设计出提高网络生命周期的心跳机制等。 (5)设计并实现了符合井下无线传输协议的设备硬件,包括:无线收发器模块和各种网络节点设备,以及其他所需的辅助功能模块。 (6)给出了测试实验环境和大量不同实验环境下的测试结果。描述了对实验结果的分析过程,并且使用开发的数据包监控软件进行监测和标定。 论文研究设计了适应井下环境的井下无线传输协议,实现了多信道多接口的可靠传输协议,将工作区数据源需要传输的数据和巷道中环境监测的数据由运行该协议的一系列网络节点稳定而可靠的转发到达主巷道的骨干通信网络。


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