CN102708670A

CN102708670A - 在矿井或油气田中利用光进行通信的方法及光通信系统

Info

Publication number: CN102708670A
Application number: CN2012101539320A
Authority: CN
Inventors: 禹忠
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种在矿井或油田中利用光进行通信的方法及光通信系统，所述系统包括基站设备和终端设备，所述基站设备和终端设备包括以下模块：通信模块，用于对发射信息进行编码、调制，得到发射信号；以及，用于对接收信号进行解调和解码，得到发射信息；发光控制模块，用于根据所述发射信号，控制发光设备发射光信号，所述光信号在传输线路中被空间复用；光接收模块，用于接收所述光信号，得到所述接收信号。本发明利用光来传递信息，一方面保证了矿井与油气田的照明需求，另一方面利用自由空间可见光进行信息传输，避免通信设备射频器件在煤灰粉尘或油气环境中引爆风险，在发生故障时，具有自愈性和抗毁性。

Description

在矿井或油气田中利用光进行通信的方法及光通信系统

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，特别是涉及一种在矿井或油田中利用光进行通信的方法及光通信系统。

背景技术

近年来，随着经济的快速增长，我国能源事业也蒸蒸日上，走入了一条高投入、高效率、高产出的经济发展道路。然而，在煤矿与油气田等场合，安全生产却依然形势严峻，稍有不慎将会给国家和人民生命安财产安全造成了重大损失，对环境安全构成了重大的威胁。现有技术中的矿用矿井以及油气田应急通讯系统采用电缆传输信号，当出现矿井透水、瓦斯以及石油气爆炸、瓦斯以及石油气超标、塌陷等紧急情况时，通常会切断电源，导致了意外停电和上述的紧急情况下，不能保障矿用矿井应急通讯系统的通畅。

矿井以及油气田通信有如下特点：生产环境非常复杂、恶劣，坑道或管道纵横交错，覆盖范围大，通信受到矿井巷道结构、地质结构、管网以及罐体等生产设备强烈影响；矿井以及油气田生产系统复杂，环节众多，条件频繁变化的采掘，以及运输工作面的推进及随时移动，给矿井以及油气田通信带来了很多未知挑战；矿井以及油气田生产区域空气中石油气、瓦斯和粉尘含量很高，容易发生爆炸；生产场合有腐蚀性原料，设备易受腐蚀。

矿井以及油气田通信研究主要是集中在固定隔爆电话、扩音电话等有线通信方式，以及动力线载波通信、低频导引通信、泄露馈线通信、分布天线通信、UHF（Ultra High Frequency，特高频）频段通等无线通信方式。现存的有线通信方式具有安全性高，通信质量好等特点，但是通信线路布控复杂，通信成本高，在矿井和油气田生产安全事故时，通信容易中断。现有的矿井以及油气田无线通信方式具有布控简单，成本低廉等优点，但是无线发射容易引起生产事故，通信网络在矿井以及油气田事故中不具备自愈性，在矿井以及油气田灾难中难以针对用户进行定位。由于矿井与油气田的环境恶劣复杂，易腐蚀、不易管理，一旦事故发生，会破坏通信设备等多种因素，使这些通信方式在矿井的发展受到很大的限制。现有的各种通信系统各有利弊，但都缺乏灵活性，难以适应矿井以及油气田复杂多变的环境，亟待一种新的无线通信方式来改变现状。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在矿井或油田中利用光进行通信的方法及光通信系统，用以解决现有技术中特殊情况通信容易中断、不具备自愈性的问题。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种光通信系统，所述系统包括基站设备和终端设备，所述基站设备和终端设备包括以下模块：

通信模块，用于对发射信息进行编码、调制，得到发射信号；以及，用于对接收信号进行解调和解码，得到发射信息；

发光控制模块，用于根据所述发射信号，控制发光设备发射光信号，所述光信号在传输线路中被空间复用；

光接收模块，用于接收所述光信号，得到所述接收信号。

进一步，所述基站设备和终端设备还包括：

自组织模块，用于在所述终端设备之间或终端设备与基站设备之间通信中断时，建立动态路由表；根据所述动态路由表构建最佳路由，通过该路由上的终端设备进行中继传输，最后连接到目标终端设备，完成数据通信。

进一步，所述基站设备和终端设备还包括：

定位模块，用于定时发送定位信号给相邻的终端设备或基站设备，确定相邻终端设备的位置。

进一步，所述自组织模块根据功率损耗最小或者信噪比最小的原则建立动态路由表。

进一步，所述定位模块通过相邻终端设备或基站设备的功率衰减和发射角度确定相邻终端设备的位置。

另一方面，本发明还提供一种在矿井或油气田中利用光进行通信的方法，所述方法包括：

对发射信息进行编码、调制，得到发射信号；

根据所述发射信号，控制发光设备发射光信号，所述光信号在传输线路中被空间复用；

接收所述光信号，得到接收信号；

对所述接收信号进行解调和解码，得到所述发射信息。

进一步，所述方法还包括：

在所述终端设备之间或终端设备与基站设备之间通信中断时，建立动态路由表；根据所述动态路由表构建最佳路由，通过该路由上的终端设备进行中继传输，最后连接到目标终端设备，完成数据通信。

进一步，所述方法还包括：

定时发送定位信号给相邻终端设备或基站设备，确定相邻终端设备的位置。

进一步，根据功率损耗最小或者信噪比最小的原则建立动态路由表。

进一步，通过相邻终端设备或基站设备的功率衰减和发射角度确定相邻终端设备的位置。

本发明有益效果如下：

本发明利用光来传递信息，一方面保证了矿井与油气田的照明需求，另一方面利用自由空间可见光进行信息传输，避免通信设备射频器件在煤灰粉尘或油气环境中引爆风险，在发生故障时，具有自愈性和抗毁性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种光通信系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中又一种光通信系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中一种在矿井或油气田中利用光进行通信的方法的流程图；

图4是本发明实施例中一种光通信系统应用在矿井或油气田中的结构示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中特殊情况通信容易中断、不具备自愈性的问题，本发明提供了一种在矿井或油田中利用光进行通信的方法及光通信系统，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明的总体设计思想是，利用可见光进行通信；具体原理是：在可见光的频率范围内，发射装置将要发的信息（源信息）编码和调制，通过控制可见光的关断来传递信息，将信息发送给接收装置，接收装置对接收的光信号进行解调和解码，获取源信息。另外，也以及选择不同颜色的可见光，结合控制可见光的关断来传递信息，以增加通信带宽。

如图1所示，本发明涉及一种光通信系统，包括基站设备101和终端设备102；基站设备101和终端设备102都同时具备发射光信号和接收光信号进行通信的功能；因此，基站设备101包括通信模块1011、发光控制模块1012和光接收模块1013；终端设备102也包括通信模块1021、发光控制模块1022和光接收模块1023，下面分别描述上述各模块：

发光控制模块，用于根据发射信号，控制发光设备发射光信号，所述光信号在传输线路中被空间复用；

光接收模块，用于接收所述光信号，得到所述接收信号。

基站设备101或终端设备102作为放射装置（发信机）用于通信时，发射装置包括：多个发光设备，可进行可见光照明，也用于无线通信；发光控制模块，用于根据调制器产生的N个发送信号，控制多个发光设备受控发光；调制器，用于以预定数目的维度对为各个载波产生的N个数据流进行调制，从而产生N个调制信号；编码器可以针对信源数据流进行编码。信源数据是语音、图像和/或数据信息。编码器和调制器属于通信模块。

基站设备101或终端设备102作为接收装置时，包括：光接收设备，用于接收光，从而根据相应的接收强度与频率输出接收信号，所述光是从发射装置的多个发光设备发出的、并且在传输线路中被空间复用的光信号；解调器，用于从接收的光信号中提取的每个调制信号进行解调；解码器，针对解调器解调后的信号进行解码，还原信源数据。解调器和解码器属于通信模块。通信模块，可以将是语音、图像和/或数据信息进行编码、调制，以及解码、解调，通过收、发信机与基站设备或其他终端设备进行信息共享与传递。

为达更佳技术效果，如图2所示，本发明还涉及一种光通信系统，包括基站设备201和终端设备202；基站设备201和终端设备202都同时具备发射光信号和接收光信号进行通信的功能；因此，基站设备201包括通信模块2011、发光控制模块2012、光接收模块2013、自组织模块2014和定位模块2015；终端设备202也包括通信模块2021、发光控制模块2022、光接收模块2023、自组织模块2024和定位模块2025。其中，基站设备201和终端设备202中的通信模块、发光控制模块、光接收模块在上述实施例中已经描述过，本实施例不在详细描述。下面详细描述自组织模块和定位模块，具体如下：

自组织模块主要是用于在终端设备之间或终端设备与基站设备之间通信中断时，建立动态路由表；根据动态路由表构建最佳路由，通过该路由上的终端设备进行中继传输，最后连接到目标终端设备，完成数据通信。通常情况下，终端设备上的自组织模块在基站设备缺位（无法与基站设备通信）情况下，要求其具有基站设备的无线接入和资源分配功能；可以完成和其他用户设备之间的数据存储转发。可以在基站缺位时，以两点之间功率损耗最小或者信噪比最小为原则建立起动态路由表，并及时地更新各个节点（终端设备或基站设备）的路由表信息。在面对突发情况时，已连接节点通信中断情况下，可与其他节点自律组建网络，保障通信的正常进行。

定位模块，定时主动发送信号给临近的基站设备或终端设备，来确定终端设备的位置，可以及时掌握人员位置、行进方向，可靠性高，避免了方向误判。

上述实施例的光通信系统，应用于矿井或油气田时，通过对矿井或油气田的固定照明设备、矿灯、便携式灯具、手持灯具进行改造，使其具备通信功能。矿井或油气田的固定照明设备可以作为基站设备，基站设备与局域网相连接；矿灯、便携式灯具以及手持灯具可以作为终端设备，终端设备可与基站设备进行通信，终端设备之间也具备通信的能力。这样，就在矿井或油气田等场合中自由空间内实现了通过可见光进行语音、图像和/或数据的传输通信，以及定位。

如图3所示，本发明还涉及一种通过上述实施例的光通信系统在矿井或油气田中利用光进行通信的方法，包括：

步骤S301，对发射信息进行编码、调制，得到发射信号；

步骤S302，根据所述发射信号，控制发光设备发射光信号，所述光信号在传输线路中被空间复用；

步骤S303，接收所述光信号，得到接收信号；

步骤S304，对所述接收信号进行解调和解码，得到所述发射信息。

其中，该方法还包括：在所述终端设备之间或终端设备与基站设备之间通信中断时，建立动态路由表；根据所述动态路由表构建最佳路由，通过该路由上的终端设备进行中继传输，最后连接到目标终端设备，完成数据通信。建立动态路由表是根据功率损耗最小或者信噪比最小的原则。

其中，该方法还包括：定时发送定位信号给相邻终端设备或基站设备，通过相邻终端设备或基站设备的功率衰减和发射角度，确定相邻终端设备的位置。

下面以一具体实施例，进行详细说明：如图4所示，本发明实施例的矿井及油气田用自由空间光通信系统（简称系统）包括：提供包括发送装置和接收装置的可见光通信收发信机，可分为基站设备与终端设备。其中，矿井与油气田的固定照明设备如井灯可以作为基站设备（如BS1、BS2、BS3、BS4等)，基站设备与局域网相连接；矿灯、便携式灯具以及手持灯具可以作为终端设备（如UE1、UE2、UE3、UE4等），终端设备可与基站设备进行通信，也具有与其他终端设备通信的能力。

基站设备和终端设备都包含收信机和发信机。其中发射装置（发信机）包括：多个发光设备，可进行可见光照明，发光设备可以是发光二极管（LED，Light Emitting Diode）、激光二极管（LD，Laser Diode）或辐射发光二极管（LID，Luminescent Diode），也可进行无线通信；发光控制模块，用于根据调制器产生的N个发送信号使多个发光设备受控发光；调制器，用于以预定数目的维度对为各个载波产生的N个数据流进行调制，从而产生N个调制信号，调制方式可以是开关键控（OOK，On-Off Keying）、可变脉冲空间位置调制（VPPM）、正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）或DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频）；编码器可以针对信源数据流进行编码；编码器和解码器属于通信模块。

接收装置包括：光接收器模块，用于接收光，从而根据相应的接收强度与频率输出接收信号，可以是光电二极管、CCD器件（Charge-coupled Device，电荷耦合器件）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补氧化金属半导体）器件，光是从发射装置的多个发光设备发出的并且在传输线路中被空间复用；解调器，用于对接收光信号提取的每个调制信号进行解调；以及解码器，针对解调信号进行解码还原信源内容。解调器和解码器属于通信模块，通信模块可以将语音、图像以及数据信息进行编码、调制、解调和解码，通过收、发信机与基站设备或其他终端设备进行信息共享与传递。

语音、图像以及数据信息经过信源处理后，进入编码器中进行信源编码，经过调制器等通过发光设备进行发射。层映像模块对发送数据进行分层转换发给相应的光驱动电路。此处，层映像模块数量是n，分别可以对应不同的空间复用层或者不同的载波。发光设备的数量N低于空间复用层的数量或者载波信号的数量n(n>N)。接收装置将不同空间复位层或者载波信号通过光接收元件后，进行滤波放大，并进入检测模块检测，然后解调解码，还原信源信号。

另外，终端设备或基站设备还包括自组织模块，终端设备在基站设备缺位情况下，要求其具有基站的无线接入和资源分配功能；可以完成和其他用户设备之间的数据存储转发。

根据矿井及油气田环境利用现有照明设施可随机布置一些可见光通信接入基站设备，这些基站设备的主要功能有：与移动终端之间的通信，即完成移动终端的接入和寻呼功能；与其它移动终端设备通过存储转发，一起完成信息从源移动终端到目的移动终端的中继传输。自组网的流程可以简述如下：每个有通信需求的移动终端可以在基站设备缺位时，以两点之间功率损耗最小或者信噪比最小为原则建立起动态路由表，并及时地更新各个节点（移动终端或基站设备）的路由表信息，然后通过路由选择算法构建最佳路由，通过该路由上的移动终端进行中继传输，最后连接到目标移动终端，完成数据通信。由于采用多跳方式来进行数据传输，相邻节点之间的功率损耗最小或者信噪比最小，故可以大大节省发射功率。同时，个别节点的中断只会引起路由的重新选择，而并不会引起网络中断，故其具有高度的自愈性和抗毁性。在面对突发情况时，已连接节点中断情况下，可与其他节点可以自律组建网络，保障通信的正常进行。

终端设备或基站设备还包括定位模块，采用了定位模块定时主动发送信号给临近的基站或路由节点，可以及时掌握人员位置、行进方向，可靠性高，避免了方向误判。

所述可见光网络由定位节点、路由节点、接入节点组成。定位节点可以是附加在可见光通信网络的基站设备，所述定位节点定时发送信息至路由节点，所述路由节点将信息路由至接入节点，所述光通信网络的基站设备（接入节点）通过以太网网关与以太网相连，将接收到的信息通过以太网络发送至中心定位系统。进一步的，两个相邻的定位节点通过终端的功率衰减和发射角度可以确定在线性通道（如坑道）中终端的具体位置，三个彼此相邻定位节点可以通过此方法确定一个工作平面的位置信息。系统工作时，需要将定位节点附着在工作人员身上的移动终端设备上，将其位置信息通过可见光网络送入地面上的数据接收解析模块，最后借助GIS（Geographic Information System，地理信息系统)，技术将人员的位置信息在地图上实时地标出。终端也可以携带地图信息，可根据移动终端定位信息进行定位解析进行标注。

由上述实施例可以看出，本发明通过改造矿井与油气田的固定照明设备以及便携式照明设备，使其作为矿井与油气田的自由空间光通信设备，一方面保证了矿井与油气田的照明需求，另一方面利用自由空间可见光进行信息传输，避免通信设备射频器件在煤灰粉尘或油气环境中引爆风险，又充分利用照明资源。此外，本发明还充分利用可见光传输带宽，降低数据传输速率的瓶颈；通过采用自组织模块，使得网络通信在基站设备缺位情况下依然能进行有效通信；本发明采用定位模块，可以在复杂无电磁波环境下进行精确定位。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims

1.一种光通信系统，其特征在于，所述系统包括基站设备和终端设备，所述基站设备和终端设备包括以下模块：

光接收模块，用于接收所述光信号，得到所述接收信号。

2.如权利要求1所述的光通信系统，其特征在于，所述基站设备和终端设备还包括：

3.如权利要求1或2所述的光通信系统，其特征在于，所述基站设备和终端设备还包括：

4.如权利要求2所述的光通信系统，其特征在于，所述自组织模块根据功率损耗最小或者信噪比最小的原则建立动态路由表。

5.如权利要求3所述的光通信系统，其特征在于，所述定位模块通过相邻终端设备或基站设备的功率衰减和发射角度确定相邻终端设备的位置。

6.一种在矿井或油气田中利用光进行通信的方法，其特征在于，所述方法包括：

对发射信息进行编码、调制，得到发射信号；

接收所述光信号，得到接收信号；

对所述接收信号进行解调和解码，得到所述发射信息。

7.如权利要求6所述的在矿井或油气田中利用光进行通信的方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.如权利要求6或7所述的在矿井或油气田中利用光进行通信的方法，其特征在于，所述方法还包括：

9.如权利要求6所述的在矿井或油气田中利用光进行通信的方法，其特征在于，根据功率损耗最小或者信噪比最小的原则建立动态路由表。

10.如权利要求7所述的在矿井或油气田中利用光进行通信的方法，其特征在于，通过相邻终端设备或基站设备的功率衰减和发射角度确定相邻终端设备的位置。