CN112040527B - 一种用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法，属于无线通信应用领域，S1：在巷道环境现场部署中继节点设备，采用长单链状拓扑结构组成无线网络；S2：对每个中继节点设备设置顺序号，沿链从起点开始控制顺序号依次递增；S3：中继节点设备根据自身顺序号，自动计算选择合适的频率，并自动开启所述合适频率的天线。通过配置顺序条件的组网方式，在长单链网络下，连续节点形成的两跳之间使用两种频率进行收发，每跳之间采用不同频率传输，避免了时分双工造成的带宽随跳数不断减半的情况。任意两个节点之间，只按规律开启对应的频率天线，单节点设备内只有数据交换的开销，降低了这些计算开销导致的占用带宽、增加时延问题。

Description

一种用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法

技术领域

本发明属于无线通信应用领域，涉及一种用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法。

背景技术

在狭长矮窄封闭空间，如井下巷道内使用自组网无线通信设备组网，特别是在巷道中部署节点路由器形成的是一种长单链状网络，整个网络呈现一种折线形状。

在这种环境下的无线通信存在两项重要指标，一是两节点之间无线传输距离，二是中继多跳后维持的网络容量。

在巷道环境下无线通信技术一般使用电磁波作为无线联络的手段。而巷道环境属于受限空间，电磁波的传播很容易受到干扰，特别是巷道拐弯、坡道处，电磁波信号在反复的碰壁反射中衰减殆尽。因此可以认为两节点之间的无线信号传输距离极易受限于物理障碍，难以人为改进。

受该因素的影响，在井下巷道部署出长单链结构的无线网络，网络内节点仅能够两两之间信号贯通，跨节点之间信号无法达到。

但在长单链结构下进行无线组网传输，存在以下影响网络容量的问题：

问题1.单天线单频率节点的时分双工造成的分时开销：

目前大多数自组网无线通信系统采用的是单天线单频率时分双工技术。这种技术在单链组网结构下存在分时问题。此类无线通信系统在长单链结构组网后，随着跳数的增加，数据带宽至少按0.5的比例逐倍数降低。

主要原因在于单天线单频段的时分双工技术在单链结构下每一次中继跳转，导致节点必须在单位时间(1秒)内完成向前节点和后节点收发数据，造成向前通信和向后通信均要瓜分时间。

以单向传输为例(如终点中继至起点)，假设链状网络处于满负荷状态，那节点最优结果也仅有一半的单位时间(0.5秒)用于数据传输。直接导致单位时间内传输量的减半，即每秒传输速率的减半，继而造成长单链网络随着中继跳数的增加，数据带宽缺按跳数成半减少的现象。

即如图1所示，假设一条长单链网络存在J、K、L三个中间节点。节点K在单位时间内，向前节点J发送数据的用时为T_kj，接收前节点J数据的用时为R_jk，向后节点L发送数据的用时为T_kl，接收后节点L数据的用时为R_lk，则节点K在单位时间内的用时组成为：

U_k＝T_kj+R_jk+T_kl+R_lk (1)

假设节点J与节点K之间，节点K与节点L之间的单位时间U内的单行(仅上行或下行)最大传输量均为X。求从节点L向节点J传输X数据量的用时是多少个单位时间U，单位时间U内最大传输多少数据量。

由公式(1)可知，当R_jk＝0，T_kl＝0，R_lk＝T_kj时，取得最优解。则得出结论，节点L向J传输X数据量，最少需要2U个单位时间；在单位时间U内，最大仅能传输X/2数据量。由此可知，时分双工技术应用在长单链结构的无线组网通信时，将直接造成节点的分时开销，从而造成随着跳数增加网络带宽缺成倍降低的现象。

问题2.无线通信协议执行造成的计算开销：

无线通信链路上每个节点在执行通信协议时，需要互相传输控制信息，这与协议栈的设计相关。这些控制数据在长单链结构逐级转发过程中，经每一次跳转，可能会产生重复的控制数据，导致所有控制数据占用了过多的信道带宽，挤占了正常的数据带宽。造成整个网络经多跳后数据带宽非常低的现象。另外，存在网络层的无线通信协议，还有动态路由计算造成的开销，这种开销必然导致通信时延。这些计算开销是无法完全避免的，只有尽量减少。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全新的组网方法，对上述问题1有根本性的解决，对上述问题2有一定程度的优化。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法，包括：

S1：在巷道环境现场部署中继节点设备，采用长单链状拓扑结构组成无线网络；

S2：对每个中继节点设备设置顺序号，沿链从起点开始控制顺序号依次递增；

S3：中继节点设备根据自身顺序号，自动计算选择合适的频率，并自动开启所述合适频率的天线。

进一步，所述中继节点设备至少具备6种频率供选择。

进一步，位于起点的中继节点设备开启2中频率的天线，其余的中继节点设备开启4种频率的天线。

进一步，步骤S3中所述计算选择合适的频率，包括以下步骤：

存在F＝{6，8，10...x}种频率，任意两种频率不存在相互干扰，频率值从小往大依次排列，F_X表示第x号频率，x为正偶数且x≥6；存在N＝{1，2，3...n}号节点，n为正整数且n≥1；

表示n除以x取余数，

表示n除以x的值向下取整数，

的值恒为正奇数；

对于单个节点N：

T_{N to N+1}表示节点N向节点(N+1)发送数据的信道；

R_{N from N+1}表示节点N从节点(N+1)接收数据的信道；

T_{N to N-1}表示节点N向节点(N-1)发送数据的信道；

R_{N from N-1}表示节点N从节点(N-1)接收数据的信道。

对于节点N与节点(N+1)之间有：

T_{N to N+1}与R_{N+1 from N}选择的频率相同；

R_{N from N+1}与T_{N+1 to N}选择的频率相同。

对于节点N与节点(N-1)之间有：

T_{N to N-1}与R_{N-1 from N}选择的频率相同；

R_{N from N-1}与T_{N-1 to N}选择的频率相同。

当N≥2时，已知x为正偶数，节点N有：

T_{N to N+1}信道选择

号频率发送；

R_{N from N+1}信道选择

号频率接收；

T_{N to N-1}信道选择

号频率发送；

R_{N from N-1}信道选择

号频率接收；

当N＝1时，即为起点节点，按定义则有：

T_{1 to 2}信道选择

号频率，即F₁号频率发送；

R_{1 from 2}信道选择

号频率；

T_{1 to 0}信道不存在；

R_{1 from 0}信道不存在。

本发明的有益效果在于：按照本发明方法进行组网后的通信系统有：

①节点两两之间形成了频分双工，即任意两节点之间形成了不同频率的两条信道。

避免了长单链结构中单天线单频率节点因为时分双工造成的网络容量随跳数增加而急剧下降，解决了单天线单频率节点的时分双工造成的分时开销问题。

采用传统时分双工技术，长单链网络存在6跳时，网络容量即下降至总带宽15％；使用本发明的技术方法，长单链网络存在22跳时，网络容量下降至总带宽15％。

②本发明方法可使用序号代替网络地址，相比传统的无线通信协议，可减少了寻址、路由方面的计算开销，从而优化了无线通信协议执行造成的计算开销。该特点可控制单跳固定带宽损失率最大不超3％，还有很大技术空间可继续降低该数值。

③本发明方法组网后的通信系统内存在多种频率，至少要间隔频率种类数除以2取整个节点，才会出现相同频率的信道，避免了同频干扰。以6种频率为例，至少间隔3个节点才会出现相同频率的信道。

④本发明方法组网后便于临时更换任意一个节点。假设在长单链中某个节点电量耗尽并关闭，只需开启一个新的节点设备，设置顺序号，即可更换。例如在井下巷道救灾过程中，可能存在单个路由器电量耗尽或损坏的情况。现场救援人员无法容忍传统的复杂设置方法，需要可以快速替换节点设备。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为长单链结构下单天线单频率节点的时分双工示意图；

图2为本发明所述用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一种用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法，有如下特点：

①组网过程是在巷道环境现场部署节点设备，即铺即用，理想状态下跨节点之间没有电波信号传递(或信号强度低于节点的接收灵敏度)。

②节点设备组成的无线网络只能是长单链状拓扑结构。

③每个节点设备在部署时必须人工设置顺序号。必须沿链从起点开始依次部署路由器，必须人为控制顺序号的依次递增。

④节点设备根据自身顺序号，按规律自动计算选择合适的频率，并自动开启该频率的天线。每个节点一般需要开启4种频率的天线，起点节点只需开启2种频率的天线。

⑤要完成组网，整个通信系统最少具备6种频率供每个节点选择，选择规律见⑥。

⑥节点对于频率的选择规律

设存在F＝{6，8，10…x}种频率，任意两种频率不存在相互干扰，频率值从小往大依次排列，F_X表示第几号频率，x为正偶数且x≥6；存在N＝{1，2，3…n}号节点，n为正整数且n≥1。

表示n除以x取余数，由前面定义可知

表示n除以x的值向下取整数，由前面定义可知

的值恒为正奇数。

对于单个节点N：

T_{N to N+1}表示节点N向节点(N+1)发送数据的信道；

R_{N from N+1}表示节点N从节点(N+1)接收数据的信道；

T_{N to N-1}表示节点N向节点(N-1)发送数据的信道；

R_{N from N-1}表示节点N从节点(N-1)接收数据的信道。

对于节点N与节点(N+1)之间有：

T_{N to N+1}与R_{N+1 from N}选择的频率相同；

R_{N from N+1}与T_{N+1 to N}选择的频率相同。

对于节点N与节点(N-1)之间有：

T_{N to N-1}与R_{N-1 from N}选择的频率相同；

R_{N from N-1}与T_{N-1 to N}选择的频率相同。

当N≥2时，已知x为正偶数，节点N有：

T_{N to N+1}信道选择

号频率发送；

R_{N from N+1}信道选择

号频率接收；

T_{N to N-1}信道选择

号频率发送；

R_{N from N-1}信道选择

号频率接收；

当N＝1时，即为起点节点，按定义则有：

T_{1 to 2}信道选择

号频率，即F₁号频率发送；

R_{1 from 2}信道选择

号频率；

T_{1 to 0}信道不存在；

R_{1 from 0}信道不存在。

在本实施例中，存在x＝6种频率，如图2所示，计算节点3的各信道频率：

T_{3 to 4}信道选择

号频率发送；

R_{3 from 4}信道选择

号频率接收；

T_{3 to 2}信道选择

号频率发送；

R_{3 from 2}信道选择

号频率接收。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法，其特征在于：包括：

S1：在巷道环境现场部署中继节点设备，采用长单链状拓扑结构组成无线网络；

S2：对每个中继节点设备设置顺序号，沿链从起点开始控制顺序号依次递增；

S3：中继节点设备根据自身顺序号，自动计算选择合适的频率，并自动开启所述合适频率的天线；所述计算选择合适的频率，包括以下步骤：

存在F＝{6，8，10...x}种频率，任意两种频率不存在相互干扰，频率值从小往大依次排列，F_X表示第x号频率，x为正偶数且x≥6；存在N＝{1，2，3...n}号节点，n为正整数且n≥1；

表示n除以x取余数，

表示n除以x的值向下取整数，

的值恒为正奇数；

对于单个节点N：

T_{N to N+1}表示节点N向节点(N+1)发送数据的信道；

R_{N from N+1}表示节点N从节点(N+1)接收数据的信道；

T_{N to N-1}表示节点N向节点(N-1)发送数据的信道；

R_{N from N-1}表示节点N从节点(N-1)接收数据的信道；

对于节点N与节点(N+1)之间有：

T_{N to N+1}与R_{N+1 from N}选择的频率相同；

R_{Nfrom N+1}与T_{N+1 to N}选择的频率相同；

对于节点N与节点(N-1)之间有：

T_{N to N-1}与R_{N-1 from N}选择的频率相同；

R_{N from N-1}与T_{N-1 to N}选择的频率相同；

当N≥2时，已知x为正偶数，节点N有：

T_{N to N+1}信道选择

号频率发送；

R_{Nfrom N+1}信道选择

号频率接收；

T_{N to N-1}信道选择

号频率发送；

R_{Nfrom N-1}信道选择

号频率接收；

当N＝1时，即为起点节点，按定义则有：

T_{1 to 2}信道选择

号频率，即F₁号频率发送；

R_{1 from 2}信道选择

号频率；

T_{1 to 0}信道不存在；

R_{1 from 0}信道不存在。

2.根据权利要求1所述的用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法，其特征在于：所述中继节点设备至少具备6种频率供选择。

3.根据权利要求1所述的用于井下巷道环境的长单链结构的无线通信组网方法，其特征在于：位于起点的中继节点设备开启两种频率的天线，其余的中继节点设备开启四种频率的天线。

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