CN103501525B - 矿区用应急通信网的组网方法及通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿区用应急通信网的组网方法及通信系统，令每个下游节点选择路径最短、接收信号最强的上级节点进行通信，并且逐渐将每个下游节点的发射功率降至可通行的最低水平，从而能够灵活、快捷地组建出低功耗的通信网络；通过采用多射频通信方式有效解决了终端接入与网络级联信道之间的相互干扰问题，从而提高了网络连通率和综合性数据业务的不间断传输能力。可见，本发明实施例的实施为低功耗矿区用应急通信网的组建、维护和使用提供了优质方案，为矿区事故中的应急救援提供了有力的通信保障。

Description

矿区用应急通信网的组网方法及通信系统

技术领域

本发明涉及矿区通信技术领域，尤其涉及一种矿区用应急通信网的组网方法及通信系统。

背景技术

近年来，各类矿区事故频繁发生，这不仅严重影响了矿区的经济效益，而且给矿区作业人员的生命安全带来了严重威胁。在矿区事故救援中，应急通信网是实施有效救援的重要手段，能够为救援调度、人员联络以及应急指挥提供有效保障，因此矿区用应急通信网的通行状况是影响救援结果的重要因素。

目前，现有的矿区用应急通信网主要包括：基于有线通信系统的应急通信网和基于无线通信系统的应急通信网；其中，基于无线通信系统的应急通信网主要包括：基于小灵通的应急通信网、基于对讲机的应急通信网、基于透地通信技术的应急通信网和基于Wi-Fi技术的应急通信网。这些现有的矿区用应急通信网至少存在以下缺点：

(1)基于有线通信系统的应急通信网：这是目前在矿区应用最为广泛的应急通信网；它是一种传统的语音通信网络，依靠长距离的大对数电缆完成信号传输。这种基于有线通信系统的应急通信网不仅不易于布设，而且一旦电缆受矿区事故影响发生断裂或发生供电中断，那么整个应急通信网将无法使用，从而给救援工作的开展带来严重的负面影响。

(2)基于小灵通、对讲机或透地通信技术的应急通信网：这几种应急通信网主要依靠小灵通、对讲机或透地通信技术等手段进行语音传输，但是它们的传输带宽很低，无法完成综合全面的应急救援通信。

(3)基于Wi-Fi技术的应急通信网：现有的基于Wi-Fi技术的应急通信网所采用的是单射频传输技术，采用了半双工的射频工作模式，因此这种应急通信网的射频单元需要阶段性地在信号覆盖模式与路由转发模式之间进行切换；这使得有限的传输带宽被分散应用于不同的传输阶段，从而大大降低了该应急通信网的整体传输速率和可靠性，因此现有的基于Wi-Fi技术的应急通信网也不适合应用于应急救援通信这种多种信号并发、大数据量实时传输的高可靠性通信业务。

此外，现有的无线通信系统主要采用Mesh(无线网格网络)组网方式或基于AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing，是一种源驱动路由协议)路由协议的组网方式进行自组网，但这两种组网方式都存在着一些缺点，因此不适合应用在矿区用应急通信网中。具体而言，若以基于mesh组网方式进行组网，那么组网完成后的无线通信系统成本很高、功耗很大，不仅无法大面积推广，而且大大缩短了该应急通信网的通信时长，严重影响了救援进度，因此它不适合应用于通信时长较长、可靠性和实时性要求较高的矿区用应急通信网。若以基于AODV路由协议的组网方式进行组网，那么组网完成后的通信路径通常跳数较少，每一跳的两个节点之间的距离较大，接收节点收到的RSSI(Received SignalStrength Indication，接收的信号强度指示)较低，传输速率将会变慢，从而会导致该节点的数据吞吐量减小、通信时延增大，因此它不适合应用于数据量大、并发程度高、实时性强的矿区用应急通信网。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种矿区用应急通信网的组网方法，不仅能够灵活、快捷的组网，而且能够在保证通信质量的同时，大大降低通信功耗，从而大幅延长了矿区用应急通信网的通信时间，因此为矿区事故中的应急救援提供了通信保障。

本发明的又一目的是提供一种矿区用应急通信系统，不仅能够灵活、方便地组建出高可靠性的低功耗应急通信网，而且能够大幅提升数据传输速率，延长该通信系统的通信时间，因此最大限度的保证了矿区的相互通信，为及时展开救援赢得宝贵时间，也为矿区事故中的应急救援提供了有力的通信保障。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种矿区用应急通信网的组网方法，包括：

网关节点向各下游节点广播启动组网信息，并且各下游节点之间转发所述的启动组网信息；

每个下游节点均接收网关节点或其他下游节点发送的启动组网信息，并且记录自身接收的每个启动组网信息的信号强度；

每个下游节点根据自身接收的启动组网信息以及自身接收的每个启动组网信息的信号强度确定出与自身通信的上级节点以及自身接收到该上级节点的信号强度；其中，与自身通信的上级节点是使该下游节点到达网关节点的跳数最少，并且使该下游节点接收到的启动组网信息的信号强度最大的网关节点或其他下游节点；

每个下游节点根据自身接收到其上级节点的信号强度确定出自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率，并且以该常规发射功率与其上级节点建立初始数据通信；

每个下游节点在与其上级节点成功建立初始数据通信后，逐渐降低自身的发射功率，直至自身与其上级节点之间的通信质量达到启动组网信息中的网络最低通信质量临界值，则将此时自身的发射功率作为后续数据通信中使用的自身与其上级节点进行数据通信的低功耗发射功率，从而完成低功耗的矿区用应急通信网的组网过程。

优选地，相应的每个下游节点根据自身接收的启动组网信息以及自身接收的每个启动组网信息的信号强度确定出与自身通信的上级节点以及自身接收到该上级节点的信号强度包括：

每个下游节点根据自身接收的启动组网信息确定出从自身到达网关节点跳数最少的通信路径，并且将每条所述通信路径中向自身发送启动组网信息的节点都作为与自身通信的待选上级节点，从而使每个下游节点都得到一个与自身通信的待选上级节点集合；

每个下游节点根据自身接收的每个启动组网信息的信号强度以及与自身通信的待选上级节点集合确定出自身接收的每个待选上级节点所发送启动组网信息的信号强度，并且将使所述信号强度最大的待选上级节点作为与自身通信的上级节点，而将自身接收的该待选上级节点所发送启动组网信息的信号强度作为自身接收到该上级节点的信号强度。

优选地，相应的每个下游节点根据自身接收到其上级节点的信号强度确定出自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率包括：

其中，P_RSSI表示自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率；P_max表示自身最大的发射功率；P_min表示自身最小的发射功率；RSSI_max表示自身能检测到的最大信号强度；RSSI_min表示自身能检测到的最小信号强度；RSSI表示自身接收到其上级节点的信号强度。

优选地，相应的网络最低通信质量临界值包括：最大丢包率、最大误码率或最小接包率中的至少一种。

一种矿区用应急通信系统，包括：网关节点和多个下游节点；网关节点和多个下游节点按照上述技术方案中所述的组网方法进行数据通信。

优选地，相应的下游节点同时具有高射频通信电路和低射频通信电路，并且高射频通信电路与低射频通信电路之间进行数据通信；

每个下游节点均通过自身的高射频通信电路与网关节点或其他下游节点进行数据通信，并且均通过自身的低射频通信电路与通信终端进行数据通信。

优选地，相应的下游节点的组成结构包括：线路保护壳1、天线2、多射频通信电路板3、外部电源用供电电路4和内部备用电池用供电电路5；

高射频通信电路和低射频通信电路均设置于多射频通信电路板3上；

多射频通信电路板3、外部电源用供电电路4和内部备用电池用供电电路5均设置于线路保护壳1的内部；

天线2至少为两根，并且至少一根天线2与多射频通信电路板3上的高射频通信电路连接，至少一根天线2与多射频通信电路板3上的低射频通信电路连接；每根天线2均由线路保护壳1的内部伸出到线路保护壳1的外部，并且所有天线2均设于线路保护壳1的两侧。

优选地，相应的下游节点的组成结构还包括：外层防护箱；线路保护壳1、天线2、多射频通信电路板3、外部电源用供电电路4和内部备用电池用供电电路5均设置于外层防护箱的内部；

所述的外层防护箱包括：箱体21、箱体盖板22、密封圈23和卡扣24；箱体盖板22通过卡扣24固定在箱体21上，并且箱体21的开口通过密封圈23与箱体盖板22相接触。

优选地，相应的外层防护箱采用不锈钢材料制成。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的矿区用应急通信网的组网方法令每个下游节点选择路径最短、接收信号最强的上级节点进行通信，并且逐渐将每个下游节点的发射功率降至可通信的最低水平，因此能够灵活、快捷地组建出低功耗的可通信网络，从而能够大幅降低通信功耗，并延长断电状态下矿区用应急通信网的通信时间。本发明实施例所提供的通信系统采用了多射频通信方式，有效解决了终端接入与网络级联信道之间的相互干扰问题，因此大幅提高了网络连通率和综合性数据业务的不间断传输能力；同时，采用了大容量锂电池作为备用电源，因此实现了下游节点的不间断供电，并且有效地保证了救援工作能够在应急救援的黄金时间内顺利开展，更好地保护了矿区工作人员的人身安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的矿区用应急通信网的组网方法的流程示意图；

图2为应用本发明实施例提供的矿区用应急通信网的组网方法的通信系统示意图；

图3为本发明实施例提供的矿区用应急通信系统的结构示意图一；

图4为本发明实施例提供的矿区用应急通信系统的结构示意图二；

图5为本发明实施例提供的矿区用应急通信系统的结构示意图三。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先需要说明的是，本申请文件中所述的矿区包括但不限于矿山、矿井等场所，所有进行矿石开采的场所都属于本申请所保护的范围。下面对本发明实施例所提供的矿区用应急通信网的组网方法及通信系统进行详细描述。

(一)矿区用应急通信网的组网方法

如图1和图2所示，一种矿区用应急通信网的组网方法，适用于以无线网络为基础构建矿区用应急通信网，其具体可以包括如下过程：

过程A1：网关节点向各下游节点广播启动组网信息，并且各下游节点之间转发所述的启动组网信息。

其中，所述的下游节点是指网关节点所属的网域内，除了网关节点之外的所有通信节点。所述的启动组网信息可以包括网关节点信息、信号传播路径信息、到达网关节点的跳数信息以及预设的网络最低通信质量临界值；该网络最低通信质量临界值可以包括最大丢包率、最大误码率或最小接包率中的至少一种；在实际应用中，网络最低通信质量临界值可以根据该组网方法的实际应用场景进行选择设定，并且可以预先设置在网关节点中；该网关节点所属网域内的所有下游节点均按照网络最低通信质量临界值的要求进行通信。

具体地，首先由网关节点发起组网过程，然后向网域内的各下游节点广播启动组网信息。每个下游节点在自身首次接收到启动组网信息(下游节点接收到的启动组网信息可能是由网关节点发出的，也可能是由其他下游节点转发的)时，会对启动组网信息中的信号传播路径信息以及到达网关节点的跳数信息进行更新，并将更新后的启动组网信息转发给网域内的其他下游节点；在本次组网过程中，每个下游节点除自身首次接收启动组网信息外，自身再接收到启动组网信息时，都不会对启动组网信息进行更新和转发。

实施例1：如图2所示，是一个应用本发明所提供组网方法的通信系统；网关节点向网域内的各下游节点广播启动组网信息；各下游节点在本过程中的具体处理如下：

(1)下游节点d首次接收到的启动组网信息可以是网关节点发送的，本次下游节点d对启动组网信息进行更新和转发；下游节点d之后可以分别接收到下游节点e、下游节点c和下游节点b发送的启动组网信息，对这些启动组网信息下游节点d均不进行更新和转发。

(2)下游节点e首次接收到的启动组网信息也可以是网关节点发送的，本次下游节点e对启动组网信息进行更新和转发；下游节点e之后可以分别接收到下游节点d、下游节点c和下游节点b发送的启动组网信息，对这些启动组网信息下游节点e均不进行更新和转发。

(3)下游节点b首次接收到的启动组网信息可以是下游节点d发送的，本次下游节点b对启动组网信息进行更新和转发；下游节点b之后可以分别接收到下游节点e、下游节点c和下游节点a发送的启动组网信息，对这些启动组网信息下游节点b均不进行更新和转发。

(4)下游节点c首次接收到的启动组网信息可以是下游节点e发送的，本次下游节点c对启动组网信息进行更新和转发；下游节点c之后可以分别接收到下游节点d、下游节点b和下游节点a发送的启动组网信息，对这些启动组网信息下游节点c均不进行更新和转发。

(5)下游节点a首次接收到的启动组网信息可以是下游节点b发送的，本次下游节点a对启动组网信息进行更新和转发；下游节点a之后可以接收到下游节点c发送的启动组网信息，对该启动组网信息下游节点a不进行更新和转发。

过程A2：每个下游节点均接收网关节点或其他下游节点发送的启动组网信息，并且记录自身接收的每个启动组网信息的信号强度。

对应的实施例1：如图2所示的通信系统，各下游节点在本过程中的具体处理如下：

(1)下游节点d中分别接收了网关节点、下游节点e、下游节点c和下游节点b所发送的启动组网信息，并且分别记录了下游节点d接收的每个节点所发送启动组网信息的信号强度。

(2)下游节点e中分别接收了网关节点、下游节点d、下游节点c和下游节点b所发送的启动组网信息，并且分别记录了下游节点e接收的每个节点所发送启动组网信息的信号强度。

(3)下游节点b中分别接收了下游节点d、下游节点e、下游节点c和下游节点a所发送的启动组网信息，并且分别记录了下游节点b接收的每个节点所发送启动组网信息的信号强度。

(4)下游节点c中分别接收了下游节点d、下游节点e、下游节点b和下游节点a所发送的启动组网信息，并且分别记录了下游节点c接收的每个节点所发送启动组网信息的信号强度。

(5)下游节点a中分别接收了下游节点b和下游节点c所发送的启动组网信息，并且分别记录了下游节点a接收的每个节点所发送启动组网信息的信号强度。

过程A3：每个下游节点根据自身接收的启动组网信息以及自身接收的每个启动组网信息的信号强度确定出与自身通信的上级节点以及自身接收到该上级节点的信号强度。

其中，与自身通信的上级节点是使该下游节点到达网关节点的跳数最少，并且使该下游节点接收到的启动组网信息的信号强度最大的网关节点或其他下游节点。

具体地，本过程A3可以包括如下步骤：

步骤1：每个下游节点根据自身接收的启动组网信息确定出从自身到达网关节点跳数最少的通信路径，并且将每条所述通信路径中向自身发送启动组网信息的节点都作为与自身通信的待选上级节点，从而使每个下游节点都得到一个与自身通信的待选上级节点集合。

对应的实施例1：如图2所示的通信系统，各下游节点在本步骤中的具体处理如下：

(1)在本次组网过程中，下游节点d可以先后接收到网关节点、下游节点e、下游节点c和下游节点b所发送的启动组网信息；下游节点d根据这些启动组网信息中的信号传播路径信息和到达网关节点的跳数信息可以确定出从自身到达网关节点跳数最少的通信路径是下游节点d直接与网关节点通信，因此下游节点d将网关节点作为与自身通信的待选上级节点，并且下游节点d的待选上级节点集合中只有这一个节点。

(2)在本次组网过程中，下游节点e可以先后接收到网关节点、下游节点d、下游节点c和下游节点b所发送的启动组网信息；下游节点e根据这些启动组网信息中的信号传播路径信息和到达网关节点的跳数信息可以确定出从自身到达网关节点跳数最少的通信路径是下游节点e直接与网关节点通信，因此下游节点e将网关节点作为与自身通信的待选上级节点，并且下游节点e的待选上级节点集合中只有这一个节点。

(3)在本次组网过程中，下游节点b可以先后接收到下游节点d、下游节点e、下游节点c和下游节点a所发送的启动组网信息；下游节点b根据这些启动组网信息中的信号传播路径信息和到达网关节点的跳数信息可以确定出从自身到达网关节点跳数最少的通信路径是下游节点b经由下游节点d或下游节点e与网关节点通信，因此下游节点b将下游节点d和下游节点e均作为与自身通信的待选上级节点，从而下游节点b的待选上级节点集合中包括下游节点d和下游节点e。

(4)在本次组网过程中，下游节点c可以先后接收到下游节点e、下游节点d、下游节点b和下游节点a所发送的启动组网信息；下游节点c根据这些启动组网信息中的信号传播路径信息和到达网关节点的跳数信息可以确定出从自身到达网关节点跳数最少的通信路径是下游节点c经由下游节点d或下游节点e与网关节点通信，因此下游节点c将下游节点d和下游节点e均作为与自身通信的待选上级节点，从而下游节点c的待选上级节点集合中包括下游节点d和下游节点e。

(5)在本次组网过程中，下游节点a可以先后接收到下游节点b和下游节点c所发送的启动组网信息；下游节点a根据这些启动组网信息中的信号传播路径信息和到达网关节点的跳数信息可以确定出从自身到达网关节点跳数最少的通信路径是下游节点a经由下游节点b或下游节点c与网关节点通信，因此下游节点a将下游节点b和下游节点c均作为与自身通信的待选上级节点，从而下游节点a的待选上级节点集合中包括下游节点b和下游节点c。

步骤2：每个下游节点根据自身接收的每个启动组网信息的信号强度以及与自身通信的待选上级节点集合确定出自身接收的每个待选上级节点所发送启动组网信息的信号强度，并且将使所述信号强度最大的待选上级节点作为与自身通信的上级节点，而将自身接收的该待选上级节点所发送启动组网信息的信号强度作为自身接收到该上级节点的信号强度。

对应的实施例1：如图2所示的通信系统，各下游节点在本步骤中的具体处理如下：

(1)下游节点d根据自身接收的每个启动组网信息的信号强度以及与自身通信的待选上级节点集合(只有一个网关节点)确定出下游节点d接收的网关节点所发送启动组网信息的信号强度，并且将网关节点作为与下游节点d通信的上级节点，而将自身接收的网关节点所发送启动组网信息的信号强度作为下游节点d接收到网关节点的信号强度。

(2)下游节点e根据自身接收的每个启动组网信息的信号强度以及与自身通信的待选上级节点集合(只有一个网关节点)确定出下游节点e接收的网关节点所发送启动组网信息的信号强度，并且将网关节点作为与下游节点e通信的上级节点，而将自身接收的网关节点所发送启动组网信息的信号强度作为下游节点e接收到网关节点的信号强度。

(3)下游节点b根据自身接收的每个启动组网信息的信号强度以及与自身通信的待选上级节点集合(包括下游节点d和下游节点e)确定出下游节点b接收的下游节点d所发送启动组网信息的信号强度，以及下游节点b接收的下游节点e所发送启动组网信息的信号强度，并且将信号强度较大的下游节点d作为与下游节点b通信的上级节点，而将自身接收的下游节点d所发送启动组网信息的信号强度作为下游节点b接收到下游节点d的信号强度。

(4)下游节点c根据自身接收的每个启动组网信息的信号强度以及与自身通信的待选上级节点集合(包括下游节点d和下游节点e)确定出下游节点c接收的下游节点d所发送启动组网信息的信号强度，以及下游节点c接收的下游节点e所发送启动组网信息的信号强度，并且将信号强度较大的下游节点e作为与下游节点c通信的上级节点，而将自身接收的下游节点e所发送启动组网信息的信号强度作为下游节点c接收到下游节点e的信号强度。

(5)下游节点a根据自身接收的每个启动组网信息的信号强度以及与自身通信的待选上级节点集合(包括下游节点b和下游节点c)确定出下游节点a接收的下游节点b所发送启动组网信息的信号强度，以及下游节点a接收的下游节点c所发送启动组网信息的信号强度，并且将信号强度较大的下游节点b作为与下游节点a通信的上级节点，而将自身接收的下游节点b所发送启动组网信息的信号强度作为下游节点a接收到下游节点b的信号强度。

过程A4：每个下游节点根据自身接收到其上级节点的信号强度确定出自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率，并且以该常规发射功率与其上级节点建立初始数据通信。

具体地，所述的每个下游节点根据自身接收到其上级节点的信号强度确定出自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率可以采用如下公式进行计算：

其中，P_RSSI表示自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率；P_max表示自身最大的发射功率；P_min表示自身最小的发射功率；RSSI_max表示自身能检测到的最大信号强度；RSSI_min表示自身能检测到的最小信号强度；RSSI表示自身接收到其上级节点的信号强度。

对应的实施例1：如图2所示的通信系统，各下游节点在本过程中的具体处理如下：

(1)下游节点d根据自身接收到网关节点的信号强度确定出自身与网关节点进行数据通信的常规发射功率P_d1，并以该常规发射功率P_d1与网关节点建立初始数据通信。

(2)下游节点e根据自身接收到网关节点的信号强度确定出自身与网关节点进行数据通信的常规发射功率P_e1，并以该常规发射功率P_e1与网关节点建立初始数据通信。

(3)下游节点b根据自身接收到下游节点d的信号强度确定出自身与下游节点d进行数据通信的常规发射功率P_b1，并以该常规发射功率P_b1与下游节点d建立初始数据通信。

(4)下游节点c根据自身接收到下游节点e的信号强度确定出自身与下游节点e进行数据通信的常规发射功率P_c1，并以该常规发射功率P_c1与下游节点e建立初始数据通信。

(5)下游节点a根据自身接收到下游节点b的信号强度确定出自身与下游节点b进行数据通信的常规发射功率P_a1，并以该常规发射功率P_a1与下游节点b建立初始数据通信。

过程A5：每个下游节点在与其上级节点成功建立初始数据通信后，逐渐降低自身的发射功率，直至自身与其上级节点之间的通信质量达到启动组网信息中的网络最低通信质量临界值，则将此时自身的发射功率作为后续数据通信中使用的自身与其上级节点进行数据通信的低功耗发射功率，从而完成低功耗的矿区用应急通信网的组网过程。

对应的实施例1：如图2所示的通信系统，若网关节点的启动组网信息中预设的网络最低通信质量临界值包括最大丢包率为0.1％及最高误码率为0.05％，那么各下游节点在本过程中的具体处理如下：

(1)下游节点d在与网关节点建立初始数据通信后，逐渐降低自身的发射功率，直至自身与网关节点之间的丢包率大于0.1％或误码率大于0.05％，则将此时自身的发射功率作为后续数据通信中使用的自身与网关节点进行数据通信的低功耗发射功率P_d2。

(2)下游节点e在与网关节点建立初始数据通信后，逐渐降低自身的发射功率，直至自身与网关节点之间的丢包率大于0.1％或误码率大于0.05％，则将此时自身的发射功率作为后续数据通信中使用的自身与网关节点进行数据通信的低功耗发射功率P_e2。

(3)下游节点b在与下游节点d建立初始数据通信后，逐渐降低自身的发射功率，直至自身与下游节点d之间的丢包率大于0.1％或误码率大于0.05％，则将此时自身的发射功率作为后续数据通信中使用的自身与下游节点d进行数据通信的低功耗发射功率P_b2。

(4)下游节点c在与下游节点e建立初始数据通信后，逐渐降低自身的发射功率，直至自身与下游节点e之间的丢包率大于0.1％或误码率大于0.05％，则将此时自身的发射功率作为后续数据通信中使用的自身与下游节点e进行数据通信的低功耗发射功率P_c2。

(5)下游节点a在与下游节点b建立初始数据通信后，逐渐降低自身的发射功率，直至自身与下游节点b之间的丢包率大于0.1％或误码率大于0.05％，则将此时自身的发射功率作为后续数据通信中使用的自身与下游节点b进行数据通信的低功耗发射功率P_a2。

当如图2所示的通信系统中的每个下游节点，均确定出自身在后续数据通信中使用的低功耗发射功率后，即完成低功耗的矿区用应急通信网的组网过程。

由上述技术方案可以看出，本发明实施例的实现不仅能够灵活、快捷地组建出通信质量高的矿区用应急通信网，而且大幅降低了通信功率，延长了矿区用应急通信网的通信时间，因此显著改善了矿区事故中的救援效率，为矿区事故中的应急救援提供了有力的通信保障。

(二)矿区用应急通信系统

如图3、图4和图5所示，一种矿区用应急通信系统，其具体结构可以包括：网关节点和多个下游节点；网关节点和多个下游节点按照上述技术方案中所述的组网方法进行数据通信。

具体地，每个下游节点的组成结构可以采用如下具体实施方案：

(1)下游节点可以采用现有技术中具有多射频通讯技术的通讯设备(例如：多射频无线路由)，即下游节点可以同时具有高射频通信电路和低射频通信电路，并且高射频通信电路与低射频通信电路之间能够通过唯一低功耗处理器进行数据通信。每个下游节点均可以通过自身的高射频通信电路与网关节点或其他下游节点进行数据通信，并且均可以通过自身的低射频通信电路与通信终端进行数据通信。

例如：下游节点可以通过自身的低射频通信电路接收手机的语音信号，并可以将该语音信号传输到自身的高射频通信电路，然后通过自身的高射频通信电路将该语音信号传输到网关节点或其他下游节点；与之相对应地，下游节点可以通过自身的高射频通信电路接收网关节点或其他下游节点发送的反馈信号，并可以将该反馈信号传输到自身的低射频通信电路，然后可以通过自身的低射频通信电路将该反馈信号转发到手机。

如图3所示，在实际应用中，矿区用应急通信系统的下游节点可以采用支持2.4GHz和5GHz数据通信的多射频装置，2.4GHz用于与终端设备进行数据通信(这些终端设备包括但不限于手机、摄像头、人员定位卡等)，5GHz用于与网关节点或其他下游节点进行网络级联通信。下游节点采用这种多射频的方式可以有效解决终端接入与网络级联信道之间的干扰问题，因此能够大幅提高网络连通率，并且能够满足视频、语音、数据等大流量综合性业务的不间断传输，为矿区用应急通信系统的可靠性打下了良好基础。

(2)下游节点的组成结构可以包括：线路保护壳1、天线2、多射频通信电路板3、外部电源用供电电路4和内部备用电池用供电电路5。多射频通信电路板3、外部电源用供电电路4和内部备用电池用供电电路5均设置于线路保护壳1的内部，从而不仅可以有效保护内部电路，而且可以提高下游节点的便携性能。

其中的多射频通信电路板3可以采用现有技术中基于低功耗多射频无线自组网技术的通讯板卡，高射频通信电路和低射频通信电路均设置于多射频通信电路板3上。

其中的天线2至少为两根，并且至少一根天线2与多射频通信电路板3上的高射频通信电路连接，至少一根天线2与多射频通信电路板3上的低射频通信电路连接；每根天线2均由线路保护壳1的内部伸出到线路保护壳1的外部，并且所有天线2均设于线路保护壳1的两侧，从而可以使下游节点满足井下巷道的数据通信要求。在实际应用中，每根天线2最好均采用全向MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put，多输入多输出)天线，从而可以大幅提高天线的信号覆盖能力和通信终端的接入能力。

其中的外部电源用供电电路4与外部电源连接，在正常通电情况下，可以直接为整个下游节点进行供电，也可以通过内部备用电池用供电电路5中电池充电电路为内部备用电池进行充电。内部备用电池用供电电路5中所采用的内部备用电池为大容量锂电池，当外部电源用供电电路4因矿区事故等原因无法供电时，内部备用电池会可以通过内部备用电池用供电电路5为整个下游节点进行供电，从而实现了下游节点的不间断供电；大容量锂电池能够保证断电后6小时工作时长，因此能够有效地保证救援工作在应急救援的黄金时间内顺利开展，更好地保护了矿区工作人员的人身安全。

(3)下游节点的组成结构还可以包括：外层防护箱；线路保护壳1、天线2、多射频通信电路板3、外部电源用供电电路4和内部备用电池用供电电路5可以均设置于外层防护箱的内部，而该外层防护箱最好采用不锈钢材料制成，从而可以大幅提升下游节点的抗外部冲击能力，并且能够使下游节点的防护等级达到IP67，即使在井下恶劣环境工作条件下也能正常工作。

其中，外层防护箱可以包括：箱体21、箱体盖板22、密封圈23和卡扣24；箱体盖板22通过卡扣24固定在箱体21上，并且箱体21的开口通过密封圈23与箱体盖板22相接触。在实际应用过程中，当通过卡扣24将箱体盖板22固定在箱体21上时，箱体21的开口处与箱体盖板22之间会被密封圈23密封，因此保证了该外层防护箱具备良好的防水防尘性能，能够使下游节点在恶劣环境下正常工作。

由此技术方案可以看出，本发明实施例所提供的矿区用应急通信系统不仅能够灵活、方便地组建出高可靠性的低功耗应急通信网，而且能够大幅提升数据传输速率，延长该通信系统的通信时间，因此最大限度的保证了井上井下的相互通信，为及时展开救援赢得宝贵时间，从而为矿区事故中的应急救援提供了有力的通信保障。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种矿区用应急通信网的组网方法，其特征在于，包括：

网关节点向各下游节点广播启动组网信息，并且各下游节点之间转发所述的启动组网信息；

每个下游节点均接收网关节点或其他下游节点发送的启动组网信息，并且记录自身接收的每个启动组网信息的信号强度；

每个下游节点根据自身接收的启动组网信息以及自身接收的每个启动组网信息的信号强度确定出与自身通信的上级节点以及自身接收到该上级节点的信号强度；其中，与自身通信的上级节点是使该下游节点到达网关节点的跳数最少，并且使该下游节点接收到的启动组网信息的信号强度最大的网关节点或其他下游节点；

每个下游节点根据自身接收到其上级节点的信号强度确定出自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率，并且以该常规发射功率与其上级节点建立初始数据通信；

每个下游节点在与其上级节点成功建立初始数据通信后，逐渐降低自身的发射功率，直至自身与其上级节点之间的通信质量达到启动组网信息中的网络最低通信质量临界值，则将此时自身的发射功率作为后续数据通信中使用的自身与其上级节点进行数据通信的低功耗发射功率，从而完成低功耗的矿区用应急通信网的组网过程；

所述的每个下游节点根据自身接收到其上级节点的信号强度确定出自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率包括：

$P_{RSSI}=(P_{\max }-P_{\min })\×\left(\frac{{\mathrm{RSSI}}_{\max }-RSSI}{{\mathrm{RSSI}}_{\max }-{\mathrm{RSSI}}_{\min }}\right)+P_{\min }$

其中，P_RSSI表示自身与其上级节点进行数据通信的常规发射功率；P_max表示自身最大的发射功率；P_min表示自身最小的发射功率；RSSI_max表示自身能检测到的最大信号强度；RSSI_min表示自身能检测到的最小信号强度；RSSI表示自身接收到其上级节点的信号强度。

2.根据权利要求1所述的组网方法，其特征在于，所述的每个下游节点根据自身接收的启动组网信息以及自身接收的每个启动组网信息的信号强度确定出与自身通信的上级节点以及自身接收到该上级节点的信号强度包括：

每个下游节点根据自身接收的启动组网信息确定出从自身到达网关节点跳数最少的通信路径，并且将每条所述通信路径中向自身发送启动组网信息的节点都作为与自身通信的待选上级节点，从而使每个下游节点都得到一个与自身通信的待选上级节点集合；

每个下游节点根据自身接收的每个启动组网信息的信号强度以及与自身通信的待选上级节点集合确定出自身接收的每个待选上级节点所发送启动组网信息的信号强度，并且将使所述信号强度最大的待选上级节点作为与自身通信的上级节点，而将自身接收的该待选上级节点所发送启动组网信息的信号强度作为自身接收到该上级节点的信号强度。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的组网方法，其特征在于，所述的网络最低通信质量临界值包括：最大丢包率、最大误码率或最小接包率中的至少一种。

4.一种矿区用应急通信系统，其特征在于，包括：网关节点和多个下游节点；网关节点和多个下游节点按照上述权利要求1至3所述的组网方法进行数据通信。

5.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述的下游节点同时具有高射频通信电路和低射频通信电路，并且高射频通信电路与低射频通信电路之间进行数据通信；

每个下游节点均通过自身的高射频通信电路与网关节点或其他下游节点进行数据通信，并且均通过自身的低射频通信电路与通信终端进行数据通信。

6.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述的下游节点的组成结构包括：线路保护壳(1)、天线(2)、多射频通信电路板(3)、外部电源用供电电路(4)和内部备用电池用供电电路(5)；

高射频通信电路和低射频通信电路均设置于多射频通信电路板(3)上；

多射频通信电路板(3)、外部电源用供电电路(4)和内部备用电池用供电电路(5)均设置于线路保护壳(1)的内部；

天线(2)至少为两根，并且至少一根天线(2)与多射频通信电路板(3)上的高射频通信电路连接，至少一根天线(2)与多射频通信电路板(3)上的低射频通信电路连接；每根天线(2)均由线路保护壳(1)的内部伸出到线路保护壳(1)的外部，并且所有天线(2)均设于线路保护壳(1)的两侧。

7.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于，所述的下游节点的组成结构还包括：外层防护箱；线路保护壳(1)、天线(2)、多射频通信电路板(3)、外部电源用供电电路(4)和内部备用电池用供电电路(5)均设置于外层防护箱的内部；

所述的外层防护箱包括：箱体(21)、箱体盖板(22)、密封圈(23)和卡扣(24)；箱体盖板(22)通过卡扣(24)固定在箱体(21)上，并且箱体(21)的开口通过密封圈(23)与箱体盖板(22)相接触。

8.根据权利要求7所述的通信系统，其特征在于，所述的外层防护箱采用不锈钢材料制成。