CN102802173A - 一种基于td-lte技术的井下通信及人员监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测系统，包括移动终端、中继站、通信基站、定位服务器、交换机、核心网设备、上位机和传输线。移动终端与井下基站节点及定位服务器三者之间通过无线接口相连，构成井下三位一体通信监测环境；交换机通过光纤将井下若干基站节点汇聚后与地面基站相连，地面基站通过核心网设备接入至公共电话交换网络；系统主干传输通道采用有线光纤传输，无线信道采用正交频分多址接入和多输入多输出调制技术。使用信号收发时间测量与角度测量的混合测量模式将原有井下监测定位算法进行改进，应用圆周坐标定位法获取井下人员位置信息。改进后的系统和算法有效的解决了矿井中复杂恶劣条件下高质量通信及监测定位难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信监测系统，具体是一种基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测系统，属移动通信的技术领域。特别适用于煤矿井下工作人员通信及位置信息的测定。该通信监测系统包括移动终端、中继站、通信基站、定位服务器、交换机、核心网设备、上位机和传输线。
背景技术
近年来针对煤矿井下移动通信及监测的方式方法研究已经受到了广泛的关注，相对落后的传统井下通信及监测方式已无法满足现代化要求。目前存在的井下通信系统大部分采用感应通信系统、漏泄通信系统和矿用小灵通通信系统等；对井下人员的监测主要针对人员所在位置坐标的测定。但是将上述现有通信及监测系统应用于井下尚有不足之处。首先，通信系统功能结构较为简单，未能达到高质量数字化矿井的标准，主要表现为：话音延迟明显，载波带宽较窄导致大容量文件传输速度受限；射频天线吞吐量小，辐射范围不能覆盖所有待测人员，小区边缘盲区现象尤为严重；小区间未能保持系统同步，存在较为严重的信息收发错位等问题。其次，对井下人员位置坐标的测定仅限于固定点位的监测，用于监测的定位服务器抗静电与电磁干扰力差；坐标测定算法单一，测得的人员坐标数据误差较大，一旦井下发生事故，不精确定位会直接影响救援工作的顺利进行。时分长期演进(TD-LTE)技术以其低传输时延、高传输速率、优化的网络架构、大载波带宽和大容量覆盖等优点从众多通信技术中脱颖而出，其主要特点很好的解决了矿井中复杂恶劣条件下通信及监测难的问题。因此，研究一种新的基于TD-LTE技术的井下人员通信及监测系统势在必行。
中国专利申请号200920112969.2，公开日2009.12.30，公开了一种具有一键对讲功能的煤矿井下通信手机。包括外壳、用以给系统提供电源的电源管理模块、用于实现通信功能的中央控制模块、用于通过无线射频技术将数据发出或接收射频信号的无线通信模块和用于控制耳麦的语音数据的语音处理模块。该手机能增强对讲功能、具备一键对讲功能按钮，但是不足之处在于该系统结构简单功能单一，无法实现井下通信多业务多需求拓展；且射频模块中采用的是单天线设计，将会导致该手机在井下恶劣环境下通话质量低，所受小区间干扰严重，实际应用受限。
中国专利申请号200710057432.6，公开日2008.11.26，公开了一种专用于井下人员定位使用的通信线缆。该线缆在内含电源上分布若干定位信息接收节点连接端口，线缆至少采用6芯线缆。该线缆可变为复合通讯线缆，实现原有线缆的替用。也可根据实际需求，在井下各检测区段的范围内，选择通信线缆上的定位接收节点连接端口之间的间隔，实现动态调整定位精度的需求，并通过定位接收节点装置的安装，从而完成井上和井下的定位及通讯。不足之处在于该通信线缆抗外部破坏力差，稍有破损就会导致通信中断，无法适应井下复杂环境中的通信及信息传输，尤其当井下发生瓦斯爆炸事故时，掉落的燃烧着的矿石会瞬间将线缆砸断或熔毁以致无法使用。而且关于人员定位方面只局限于确定井下固定点坐标处是否存在工作人员，不能获取人员离开此点位后的具体位置，没有解决定位的根本问题。
鉴于此，当前煤矿井下迫切需要一种新的无线通信及人员监测系统。本发明将现有通信系统及监测算法进行改进，并将改进后的系统及算法应用于井下工作人员通信及位置信息的测定中。
发明内容
为了克服现有的井下有线通信定位线缆的抗外部破坏力差，延拓性低，发生事故后易砸断或熔毁；现有井下无线通信系统结构简单功能单一，低速率高延迟，盲区现象严重，人员位置监测算法的测定精度低，测量范围小，鲁棒性差等缺点，本发明提供一种无线通信监测系统及算法，具体是一种基于TD-LTE技术的井下通信监测系统及人员定位算法。通过引入正交频分多址接入和多输入多输出等技术将系统进行优化，降低用户通话时延同时提高数据传输速率和各项性能；将定位算法改进为信号收发时间测量与角度测量的混合测量模式，通过获取发射信号的回波时间和智能天线接收信号的角度两项参数从而准确计算井下人员位置坐标，大幅提高定位精度，实现复杂条件下的高质量无线通信、数据传输及人员位置信息监测。
本发明采用的技术方案是：
一种基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测系统，包括移动终端、中继站、通信基站、定位服务器、交换机、核心网设备、上位机和传输线；系统主干传输通道采用有线光纤传输，同时采用载波聚合的方式灵活配置传输带宽，实现井下移动终端的图形图像及视频通话业务需求；无线信号传输采用正交频分多址接入技术，配合使用智能天线的波束赋形技术从而满足大吞吐量高速数据传输业务，实现井下无线通信区域的无缝隙覆盖，改善小区边缘用户的性能；井下无线通信采用无线接入网络，无线接口支持多种标准通信接口，且具备向下兼容的能力。
所述的井下通信及人员监测系统，通信基站包括井下基站节点和地面基站；核心网设备包括数据接入服务器和数据认证服务器；上位机包括上位机PC、中央上位机PC和服务器SQL Server；传输线包括RS485标准通信总线和光纤；其中移动终端、中继站、井下基站节点、定位服务器和交换机位于井下，地面基站、核心网设备和上位机位于井上；移动终端与井下基站节点及定位服务器三者之间通过无线传输接口相连，构成井下三位一体通信监测环境，交换机通过光纤将井下若干基站节点汇聚后统一与地面基站相连，地面基站通过核心网设备接入至公共电话交换网络，实现井下工作人员与地面人员间通信和数据传输；定位服务器将测定的移动终端与井下基站节点之间的距离及相对角度值通过RS485标准通信总线传至上位机PC，上位机PC将上传数据汇总并依据移动终端唯一识别码对每位井下工作人员进行区分，根据距离及角度数据计算井下人员所在位置坐标，并为坐标信息添加对应的采集时间，将坐标信息统一存入服务器SQL Server中，完成了对井下工作人员在时间和空间上的监测。
所述的井下通信及人员监测系统，无线传输接口采用TD-LTE和LTE-Advanced双模式接口设计。
所述的井下通信及人员监测系统，井下基站节点和移动终端的射频模块均采用符合3GPP TS36.1xx系列的协议标准规范，射频天线采用多根智能天线用于数据信号传输。
所述的井下通信及人员监测系统，使用信号收发时间测量与角度测量的混合测量模式进行井下人员定位，将信号由移动终端传至井下基站节点所需时间设为τ1，井下基站节点反射的回波信号至移动终端所需时间设为τ2，则移动终端与井下基站节点之间的距离值可表示为D1A＝c(τ1+τ2)/2，其中D1A为距离值；c为光速，当井下基站节点接收移动终端的射频信号时，可通过智能天线直接获取移动终端发射信号时所处的相对于基站节点的位置角度值θ；从而可将移动终端视为处于以基站节点为圆心，终端与基站距离为半径的圆周上，则根据圆周上一点坐标的求解方法可得出移动终端在x轴上的取值为x＝sinθ×D1A，在y轴上的取值为y＝cosθ×D1A，时间参数τ和位置角度参数θ均可由基站端测得，从而根据不同井下工作人员与基站节点的距离及相对角度可实际求得所有井下工作人员所在位置坐标为(sinθn×DnA，cosθn×DnA)。
所述的井下通信及人员监测系统，系统的井下通信基站、交换机及核心网设备之间均通过中继站相连接。
所述的井下通信及人员监测系统，采用基站间空口对接同步的方式对井下基站节点进行系统同步，所选基站A和B以[τ1，τ2，...τn]的形式分别记录来自定位服务器发送的单个帧信号所需时间，τ为接收帧信号的时间，从而计算接收一个完整帧信号所需的时间和为
则
的结果即为两基站节点间同步时钟校准参数，依据该参数对基站时钟进行调整从而实现两基站节点的时钟同步，最终实现所有井下基站节点的全网同步。
所述的井下通信及人员监测系统，位服务器包括以下模块：微控制器模块、冗余校验模块、数据处理及存储模块、射频模块、键盘输入模块、显示模块、时隙计数模块，以及提供稳定电压的220V交流电源；设备外壳与PE线多点可靠连接，与大地构成电气回路，起到了防电磁和静电干扰的作用。
所述的井下通信及人员监测系统，使用MAX488E作为RS485标准通信总线接口的收发器，对定位服务器的数据处理及存储模块进行接口设计，将该模块计算出的距离与角度值通过总线实时传至地面上位机PC中。
所述的井下通信及人员监测系统，由一台中央上位机PC对其余上位机PC统一监控管理，将井下人员的坐标信息全部存入服务器SQL Server中，从而对井下人员的分布情况与行进轨迹进行全面有效管理。
所述的井下通信及人员监测系统，移动终端、中继站、井下基站节点、定位服务器及交换机均为本质安全型防爆设备。
本发明有以下4点有益效果。
1.结构合理、精确度高。本发明用于井下通信的设备主要由移动终端、井下基站节点和地面核心网三大主体结构构成，网络架构更加扁平化，可有效降低数据传输时延同时减小维护成本，结构合理；将原有井下定位测距算法进行改进，使用信号收发时间测量与角度测量的混合测量模式精确测定井下基站节点与移动终端的间距及相对角度，应用圆周坐标定位法获取井下人员位置信息，精确度高。
2.快速高效。本发明采用正交频分多址接入和多输入多输出等无线传输调制技术，同时采用载波聚合的方式灵活配置载波带宽从而满足大吞吐量高速数据传输业务；监测系统的定位服务器通过数据处理及存储模块计算移动终端与井下基站节点间距，将得出的结果连同角度参数实时快速地传至地面上位机PC，上位机PC将所有上传参数结果汇总后一次性计算每位井下工作人员的位置坐标值，快速高效。
3.延拓性强。本发明监测系统的通信基站、交换机及核心网设备之间均通过中继站相连接，可实现井下远距离信息传输与信息接力；采用基站间空口对接同步的方式对井下基站节点进行系统同步，在保证信息传输准确性的同时利用空中接口有效的将各个基站节点进行同步保持，无需使用有线连接，部署灵活延拓性强。
4.鲁棒性好。本发明用于位置信息测定的定位服务器外壳与PE线多点可靠连接，与大地构成电气回路，此举可以有效的防护因电磁(EMC)和静电(ESD)干扰导致的测量不准确现象。此外，移动终端及井下基站节点的射频模块采用多根智能天线设计，配合使用波束赋形技术可以最大限度、多角度、准确地获取每位井下人员的位置信息，人员与人员间互不干扰，鲁棒性好。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明系统的工作原理图。
图2是井下基站节点的电路结构图。
图3是井下基站节点空口对接同步示意图。
图4是人员监测定位原理图。
图5是定位服务器电路结构图。
图6是TMS320C5X芯片与上位机PC接口电路图。
图中1.移动终端，2.井下基站节点，3.中继站，4.定位服务器，5.交换机，6.巷道四壁，7.井下工作人员，8.矿用机车，9.RS485标准通信总线，10.地面基站，11.核心网设备，12.上位机PC，13.中央上位机PC，14.公共电话交换网络，15.服务器SQL Server，16.光纤。
具体实施方式
在图1所示实施例中，本发明系统在巷道四壁(6)周围按规定好的坐标区域安装固定矿用本安型井下基站节点(2)和定位服务器(4)，连同移动终端(1)三者构成一个区域监测点。定位服务器和井下基站节点由井下输电线缆进行供电，与巷道地面保持水平且紧靠墙壁四周放置，避免占用巷道主路影响井下矿用机车(8)及其他运输设备行进；定位服务器(4)天线端面向巷道主路，确保天线辐射范围能够覆盖在主巷道及井下矿用机车周围施工作业的井下工作人员(7)。每位工作人员均配备移动终端(1)用于通信和数据传输，一个区域基站节点(2)根据其承载能力可覆盖控制若干移动终端及定位服务器，将所有定位服务器(4)上电复位后，井下基站节点(2)通过智能天线(207)发射高频电波搜索场区范围内的移动终端(1)和定位服务器(4)；同时移动终端开启查询功能，查询附近是否存在基站节点发出的有效搜索信号。查询到基站节点(2)发射的高频搜索信号后，移动终端(1)则发送与井下基站节点(2)建立通信的申请信号，申请信号为终端唯一识别码中的40位局部识别码，该码包括8位井下工作人员(7)工号和32位终端IC芯片序列号，当收到基站节点(2)返回的确认连接信号后，则建立了有效的通信连接。定位服务器(4)将配合井下基站节点(2)完成井下基站全网同步工作，确保基站收发数据的准确性；同时定位服务器(4)也将接收移动终端(1)发送的唯一识别码，确保每位井下工作人员(7)与其位置坐标测量结果的准确对应。基站节点、定位服务器和移动终端三者之间通过LTE无线接口协议进行通信会话连接，构成井下三位一体通信监测环境，其中终端与终端间通过X2接口连接；终端和定位服务器两者与上级基站间通过S1接口连接。数据传输信道的下行方向采用正交频分多址接入(OFDM)的调制方式，上行方向采用具有单载波峰均比特征的DFT-s-OFDM的调制方式；同时，上行链路使用同步非适应混合自动重传请求技术，下行链路采用异步自适应的混合自动重传技术；配合采用自适应调制和编码技术提高了链路的传输速率，可实现低延迟的语音通话和快速率的信息传输交换功能。由于井下巷道狭长纵深，基站天线覆盖范围有限，使用中继站设备(3)将不同区域块内的基站节点(2)相连接使得系统延拓性更强，实现井下远距离信息传输与信息接力。各小区的井下基站节点(2)连接汇聚至井下交换机(5)，之后通过光纤(16)传至地面基站(10)，由地面基站(10)连接至核心网设备(11)的数据接入服务器和数据认证服务器端，之后与公共电话交换网络(14)相连完成信息交互过程，实现井下与井上之间的人员通信和数据传输。建立了定位服务器(4)与移动终端(1)的连接后，定位服务器通过天线向移动终端发送读数据命令，移动终端接收到定位服务器发射的读数据信号，做出应答后将64位唯一识别码和芯片工作参数反射回定位服务器(4)，定位服务器接收终端的回波信号并进行解调制，提取移动终端传送的载波信息，载波信息包括移动终端(1)识别码、井下工作人员(7)工号和芯片设备参数，以及移动终端(1)信号到达井下基站节点(2)的传输时间，与此同时基站节点(2)将向定位服务器(4)提供与移动终端通信时所处位置角度信息。定位服务器将提取的时间参数通过数据处理芯片TMS320C5X(504)进行数据运算，计算出每位井下工作人员(7)与基站节点(2)的间距值，将间距信息备份在外部数据存储器EEPROM(505)中，同时将间距值及角度值通过RS485标准通信总线(9)实时传至上位机PC(12)中，上位机PC(12)将所有定位服务器(4)上传的数据汇总，通过移动终端(1)唯一识别码对每位井下工作人员(7)进行区分，将识别码相同的间距值和角度值应用圆周坐标定位法进行位置坐标计算，从而最终得出每位井下工作人员(7)的位置坐标，并由管理软件自动为此坐标信息添加对应的采集时间并存储，实现了对井下人员在时间和空间上的位置监测。由于井下巷道施工位置的不同，各个测量点的上位机PC(12)存储的人员位置信息也各不相同，由一台中央上位机PC(13)对所有上位机PC(12)统一进行监控管理，将信息数据统一存入服务器SQL Server(15)中，从而对井下人员的分布情况与行进轨迹进行全面有效管理。
在图2所示实施例中，井下基站节点采用ARM Cortex A15(201)芯片作为处理器核心电路，信号源经过核心处理器的基带处理单元以及数字信号处理器TMS320C6416(202)芯片进行正交频分多址调制，运用载波聚合技术将多个成员载波以串联的方式连接起来，使得OFDM多址方式的系统带宽可扩展性更为灵活。调制器CMX7041L4(203)芯片将移动终端(1)应答信号的编码进行调制映射、线性预编码以及波束赋形等技术处理，将调制码字传至天线端从而调整天线阵列中每个阵元的加权系数，产生具有指向性的波束，扩大了基站天线辐射范围。将基站控制器BSC(204)嵌入基站内部使得整个系统结构更加扁平化，基站控制器将完成无线信道管理、实施呼叫和通信链路的建立和拆除。采用EEPROM(205)作为数据存储器，用于存储基站的设备参数及移动终端唯一识别码，唯一识别码使得定位服务器(4)与上位机PC(12)能够准确识别和存储每位井下工作人员(7)的位置信息。射频模块采用RFM12(206)，为了实现最大限度、多角度、准确地读取每位矿工的位置信息，使用4根智能天线(207)并联方式作为射频模块发射端，射频端口均采用符合3GPP TS36.1xx系列的协议标准规范设定，无线传输接口采用TD-LTE(208)和LTE-Advanced(209)双模式接口设计，并支持向下兼容功能。相应的移动终端及定位服务器射频端也将设计为多天线形式，从而形成多输入多输出的井下无线传输调制模式，配合OFDM调制技术可满足井下视频通话、图像视频传输以及大容量文件传输等吞吐量较大的高速数据传输业务。此外所有井下基站节点均提供中继站设备接口(210)，不同区域的基站节点之间均通过中继站相连接，有效地保障了井下远距离信息传输与信息接力的能力。井下各区域基站节点通过光纤接口(211)汇聚后与交换机(5)相连，继而接至地面通信设备，从而使井下移动终端与地面终端保持语音与数据的有效连接与传输。将随机数发生器RNG(212)单元产生的随机数设定计时器MT8980D(213)的初值，用设定的初值做出应答，从而防止多个移动终端同时与基站通信时造成的相互碰撞，计时器也用于基站间空口对接过程中的时间记录，根据记录的时间差参数对同步时钟进行调整。时钟发生器RTM360-111R(214)芯片用于向核心处理器ARM Cortex A15(201)芯片、调制器CMX7041L4(203)和基站控制器BSC(204)提供稳定时钟，以及从定位服务器(4)的下发指令中提取同步时钟信号。
在图3所示实施例中，定位服务器向其周围的井下基站节点发送同步信号(301)，井下基站节点做出应答并将回波信号通过定位服务器传至地面上位机PC，上位机PC随机选取两个基站节点进行局部同步，下发同步指令开始局部同步(302)。将定位服务器置于选定的两基站连线中点(303)，之后向两个基站节点A和B同时发送同步时间信号，基站节点以[τ1，τ2，...τn]的形式分别记录接收单个帧信号所需时间，其中τ为接收帧信号的时间，接收动作结束后两基站以一个完整帧为单位计算各自的接收时间
通过基站控制器将得出的接收时间上报至上位机PC(304)，此时假设基站A已经与绝对时间同步，则基站B将根据上位机PC回传的两基站接收信号的时间差
参数对其自身同步时钟进行调整，以达到与基站A的时钟相一致，从而完成对两个基站间同步时钟进行校准的过程(305)。以此类推，基站A或B便可成为同步区内其他基站获得同步信号的定时基准，其他基站将模拟上述两基站的行为搜索基站A或B的同步信号，利用基站空口对接来调整各自的定时时钟从而与基站A或B保持一致。已同步的基站节点将上报时钟周期至上位机PC，从而验证RF场中是否有剩余的未同步基站(306)，如果存在则将该基站的同步时钟进行上电复位，若仍失灵将进一步排查受损原因(307)；若在复位后恢复时钟定时功能则重新进行同步时钟的校准，最终实现井下所有基站节点的全同步(308)。全网同步后，定位服务器将设置周期信号从而周期性地对基站之间进行同步信号的跟踪(309)，跟踪结束后定位服务器监测信号置起，进入休眠状态(310)，至此井下基站空口对接同步过程结束。
在图4所示实施例中，定位服务器(4)向上位机PC(12)发起一个定位请求，请求获取在定位服务器(4)辐射范围内的所有移动终端(1)的位置坐标信息，上位机PC(12)确认后向定位服务器(4)发起确认定位指令。定位服务器(4)开始搜索附近的移动终端(1)，查询并获取终端的定位能力信息，移动终端(1)接收到查询命令后立即与其所属的井下基站节点(2)建立连接，通过射频天线将终端唯一识别码发送至井下基站节点(2)，基站将所有接收到的识别码按接收时隙进行记录，并统计N(N为整数)个时隙内的移动终端(1)总数，统计完成后再按接收时隙时的顺序分别向移动终端(1)做出应答；与此同时定位服务器将获取由基站节点发送的设备当前状态信息及服务小区信息，包括与基站建立连接的移动终端数量和即将测量的相关参数。准备就绪后，在定位服务器(4)的请求下井下基站节点(2)触发定位指令，将记录移动终端(1)信号的到达时间以及测量终端与其相对位置角度，上位机PC根据到达时间及角度参数进行最终的井下人员坐标计算，并将定位结果发送给井下移动终端(1)，从而实时向井下工作人员(7)显示其当前所处坐标位置。现有的确定井下人员位置坐标的算法主要应用到达时间差法进行求解，假设移动终端(1)所处坐标为(x，y)，井下基站节点(2)的位置坐标为(xi，yi)，其中i＝1，2，...为每个基站节点编号，由于巷道深度事先已知，则无需考虑z轴方向上的坐标；基站A、B、C发射信号传至移动终端所需时间分别为τA、τB和τC，传输时延为δ，则基站节点A和B到达移动终端的时间差为
其中c为光速，δ在相减过程中抵消；相应的基站节点A和C到达移动终端的时间差为传输时间τ可由基站计时器获取，且基站坐标为已知项，则联立两项方程式可求出移动终端的坐标值，即为井下工作人员(7)所处坐标位置。在此对定位算法进行改进，假设信号由移动终端传至基站节点所需时间为τ1，基站节点反射的回波信号至移动终端所需时间为τ2，则移动终端与井下基站节点之间的距离值可表示为D1A＝c(τ1+τ2)/2，式中D1A为距离值；当基站节点接收移动终端的射频信号时，可通过智能天线(207)直接获取终端发射信号时所处的相对于基站的位置角度值θ，该角度值定义为当移动终端处于以基站为起点的射线上时，射线从正北方向逆时针旋转的角度值；从而可将移动终端视为处于以基站为圆心，终端与基站距离为半径的圆周上，则根据圆周上一点坐标的求解方法可得出移动终端在x轴上的取值为x＝sinθ×D1A，在y轴上的取值为y＝cosθ×D1A，从而根据不同人员与基站的距离及相对角度求得所有井下工作人员(7)所在位置坐标为(sinθn×DnA，cosθn×DnA)。此定位方法只需一台基站节点就可确定井下人员位置，与改进前的至少三台基站节点才能确定一个人员位置相比效率更高；且上位机PC在处理三角坐标运算时显然比处理根号方程组坐标运算更加精确高效。应用改进后的算法可以有效提高井下人员定位的精度和效率，在实际工程抢险中为挽救人身生命赢得宝贵时间。
在图5所示实施例中，定位服务器的微控制模块采用PIC16F676(501)芯片作为控制器核心电路，使用解调器CMX7041Q3(502)芯片将井下基站节点(2)的回波信号进行解调制，并通过冗余校验模块CRC-16(503)检验回波信号的准确性。使用数据处理及存储模块中的数据处理器TMS320C5X(504)芯片对由井下基站节点(2)反射的回波信号参数进行数据分析运算，将计算出的距离值及相对角度值一方面传至外部数据存储器EEPROM(505)中保存，可以应对因突发事故断电导致的数据流失；另一方面经RS485通信总线接口(509)传至上位机PC(12)将数据进行全面有效管理。键盘输入模块(506)通过高速通用串行总线USB2.0与定位服务器相连，可以向定位服务器输入更改控制信号和工作参数，定位服务器工作状态和采集信息可通过点阵式LCD(507)显示模块显示。通过控制时隙计数模块MT8980D(508)从而将服务器识别范围内的移动终端(1)的唯一识别码分配到不同时隙中进行单独分析，避免了识别码间互相碰撞干扰。定位服务器应用220V交流电源供电，封装外壳与PE线多点可靠连接，与大地构成电气回路，可以有效的防护因电磁和静电干扰导致的测量不准确现象。
在图6所示实施例中，采用MAXIM公司生产的MAX488E(601)收发器芯片，实现了TMS320C5X(504)与上位机PC(12)之间的基于RS485的串行通信。由于上位机PC中提供的是标准的RS232C串行接口，因此还需使用RS232C/RS485(602)转换器进行PC端的接口转换。具体为将DSP TMS320C5X(504)芯片通过MAX488E(601)芯片与RS232C/RS485(602)转换器相连，进而与地面上位机PC(12)的RS232C串行接口相连，将DSP TMS320C5X(504)芯片计算出的距离值和相对角度值实时传至上位机PC(12)进行处理。
Claims (10)
1.一种基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测系统，包括移动终端、中继站、通信基站、定位服务器、交换机、核心网设备、上位机和传输线，其特征在于通信基站包括井下基站节点和地面基站；核心网设备包括数据接入服务器和数据认证服务器；上位机包括上位机PC、中央上位机PC和服务器SQL Server；传输线包括RS485标准通信总线和光纤；其中移动终端、中继站、井下基站节点、定位服务器和交换机位于井下，地面基站、核心网设备和上位机位于井上；移动终端与井下基站节点及定位服务器三者之间通过无线传输接口相连，构成井下三位一体通信监测环境，交换机通过光纤将井下若干基站节点汇聚后统一与地面基站相连，地面基站通过核心网设备接入至公共电话交换网络，实现井下工作人员与地面人员间通信和数据传输；定位服务器将测定的移动终端与井下基站节点之间的距离及相对角度值通过RS485标准通信总线传至上位机PC，上位机PC将上传数据汇总并依据移动终端唯一识别码对每位井下工作人员进行区分，根据距离及角度数据计算井下人员所在位置坐标，并为坐标信息添加对应的采集时间，将坐标信息统一存入服务器SQL Server中，完成了对井下工作人员在时间和空间上的监测。
2.根据权利要求1所述的基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测系统，其特征在于井下基站节点和移动终端的无线传输接口均采用TD-LTE和LTE-Advanced双模式接口设计；射频模块均采用符合3GPPTS36.1xx系列协议的规范标准，射频天线采用多根智能天线用于数据信号传输。
3.根据权利要求1所述的基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测系统，其特征在于系统的井下通信基站、交换机及核心网设备之间均通过中继站相连接；移动终端、中继站、井下基站节点、定位服务器及交换机均为本质安全型防爆设备。
4.根据权利要求1所述的基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测系统，其特征在于定位服务器包括以下模块：微控制器模块、冗余校验模块、数据处理及存储模块、射频模块、键盘输入模块、显示模块、时隙计数模块，以及提供稳定电压的220V交流电源；设备外壳与PE线多点可靠连接，与大地构成电气回路，起到了防电磁和静电干扰的作用。
5.根据权利要求1或4所述的基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测系统，其特征在于使用MAX488E作为RS485通信总线接口的收发器，对定位服务器的数据处理及存储模块进行接口设计，将该模块计算出的距离与角度值通过总线实时传至地面上位机PC中。
6.一种基于TD-LTE技术的井下通信及人员监测方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤A，在巷道四壁周围按规定好的坐标区域安装固定矿用本安型井下基站节点和定位服务器，连同移动终端三者构成一个区域监测点，定位服务器与巷道地面保持水平且紧靠墙壁四周放置，定位服务器天线端面向巷道主路，每位井下工作人员均配备移动终端；
步骤B，将所有定位服务器上电复位，井下基站节点发射高频电波，搜索场区范围内的移动终端和定位服务器，同时移动终端开启查询功能，查询附近是否存在基站节点发出的有效搜索信号；
步骤C，查询到基站节点发射的高频搜索信号后，移动终端发送与井下基站节点建立通信的申请信号，申请信号为终端唯一识别码中的40位局部识别码，包括8位井下工作人员工号和32位终端IC芯片序列号，当收到基站节点返回的确认连接信号后，则移动终端与井下基站节点建立了有效的通信连接；
步骤D，定位服务器将配合井下基站节点完成井下基站全网同步，同时定位服务器也将接收移动终端发送的唯一识别码；
步骤E，基站节点、定位服务器和移动终端三者之间通过LTE无线接口协议进行通信会话连接，其中终端与终端间通过X2接口连接，终端和定位服务器两者与上级基站间通过S1接口连接，数据传输信道的下行方向采用OFDM的调制方式，上行方向采用具有单载波峰均比特征的DFT-s-OFDM的调制方式，上行链路使用同步非适应混合自动重传请求技术，下行链路采用异步自适应的混合自动重传技术；
步骤F，使用中继站设备将不同区域块内的基站节点相连接，各小区的井下基站节点采用光纤连接汇聚至井下交换机，之后通过光纤传至地面基站，由地面基站连接至核心网设备的数据接入服务器和数据认证服务器端，之后与公共电话交换网络相连完成信息交互过程，实现井下与井上之间的人员通信和数据传输；
步骤G，定位服务器向移动终端发送读数据命令，移动终端做出应答，将64位唯一识别码和芯片工作参数反射回定位服务器，定位服务器接收终端的回波信号并进行解调制，提取移动终端传送的载波信息，与此同时基站节点将向定位服务器提供与移动终端通信时所处位置角度信息；
步骤H，定位服务器根据提取的时间参数通过数据处理芯片进行数据运算，计算出每位井下工作人员与基站节点的间距值，将间距信息备份在外部数据存储器中，同时将该信息连同位置角度参数通过RS485标准通信总线实时传至上位机PC中；
步骤I，上位机PC将所有定位服务器上传的间距及角度值汇总，通过移动终端唯一识别码对每位井下工作人员进行区分，将识别码相同的间距值和角度值应用圆周坐标定位法进行位置坐标计算，从而最终得出每位井下工作人员的位置坐标。
7.根据权利要求6所述的井下通信及人员监测方法，其特征在于所述步骤D中，定位服务器将配合井下基站节点完成井下基站全网同步包括以下具体步骤：
步骤D1，定位服务器向其周围的井下基站节点发送同步信号，井下基站节点做出应答并将回波信号通过定位服务器传至地面上位机PC，上位机PC随机选取两个基站节点进行局部同步；
步骤D2，将定位服务器置于选定的两基站连线中点，之后向两个基站节点A和B同时发送同步时间信号，基站节点以[τ1，τ2，...τn]的形式分别记录接收单个帧信号所需时间，其中τ为接收帧信号的时间，接收结束后两基站节点以一个完整帧为单位计算各自的接收时间
通过基站控制器将得出的接收时间上报至上位机PC，此时假设基站A已经与绝对时间同步，则基站B将根据上位机PC回传的两基站接收信号的时间差
参数对其自身同步时钟进行调整，以达到与基站节点A的时钟相一致，从而完成对两个基站间同步时钟校准的过程；
步骤D3，基站A或B成为同步区内其他基站获得同步信号的定时基准，其他基站将模拟步骤D2中两基站节点的行为搜索基站A或B的同步信号，利用基站空口对接来调整各自的定时时钟从而与基站A或B保持一致，已同步的基站节点将上报时钟周期至上位机PC，验证射频场中是否有剩余的未同步基站，如果存在则将该基站的同步时钟进行上电复位，重新进行同步时钟的校准，最终实现井下所有基站节点的全同步；
步骤D4，全网同步后，定位服务器将设置周期信号，对基站节点之间进行周期性同步信号的跟踪，跟踪结束后定位服务器监测信号置起，完成井下基站空口对接同步过程。
8.根据权利要求6所述的井下通信及人员监测方法，其特征在于所述步骤H中，定位服务器根据提取的时间参数通过数据处理芯片进行数据运算，计算出每位井下工作人员与基站节点的间距值，包括以下具体步骤：
步骤H1，定位服务器向上位机PC发起一个定位请求，上位机PC确认后向定位服务器发起确认定位指令，定位服务器开始搜索附近的移动终端，移动终端接收到查询命令后立即与所属的井下基站节点建立连接；
步骤H2，基站将所有接收到的移动终端按接收时隙进行记录并统计数量，统计完成后再按接收时隙时的顺序分别向移动终端做出应答；
步骤H3，井下基站节点触发定位指令，由计时器记录移动终端信号的到达时间，将信号由移动终端传至井下基站节点所需时间设为τ1，井下基站节点反射的回波信号至移动终端所需时间设为τ2，将记录时间发送至定位服务器，定位服务器根据时间参数通过数据处理芯片进行数据运算，算法表达式为D1A＝c(τ1+τ2)/2，其中D1A为移动终端与井下基站节点之间的距离，c为光速，依据此算法计算出每位井下工作人员与基站节点的不同间距值为DnA＝c(τn+τn)/2。
9.根据权利要求6所述的井下通信及人员监测方法，其特征在于所述步骤H中，将该信息连同位置角度参数通过RS485标准通信总线实时传至上位机PC中，包括以下具体步骤：
步骤H1，当井下基站节点接收移动终端的射频信号时，可通过智能天线直接获取移动终端发射信号时所处的相对于基站的位置角度值θ，将角度值传至定位服务器；
步骤H2，定位服务器中数字信号处理芯片通过MAX488E收发器与RS485标准通信总线相连，RS485总线与RS232C/RS485转换器相连，进而与地面上位机PC的RS232C串行接口相连，将数字信号处理芯片计算出的距离值连同位置角度参数实时传至上位机PC。
10.根据权利要求6所述的井下通信及人员监测方法，其特征在于所述步骤I中，将识别码相同的间距值和角度值应用圆周坐标定位法进行位置坐标计算，从而最终得出每位井下工作人员的位置坐标，包括以下具体步骤：
将移动终端视为处于以基站节点为圆心，终端与基站距离为半径的圆周上，得出移动终端在x轴上的取值为x＝sinθ×D1A，在y轴上的取值为y＝cosθ×D1A，时间参数τ和位置角度参数θ均可由基站端测得，从而根据不同井下工作人员与基站节点的距离及相对角度可实际求得所有井下工作人员所在位置坐标为(sinθn×DnA，cosθn×DnA)。
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