CN112333806B - 一种巷道无线冗余中继环形网络系统单元和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种巷道无线冗余中继环形网络系统单元以及系统，包括用于监测无线基站和无线接入终端的运行状态和传输的数据，并对网络系统内的设备进行管理的基站管理器，用于传输用户端与无线基站之间的用户数据的无线接入终端，用于接收用户数据，并在判定用户数据为第一次接收的数据时向无线基站的信号覆盖区域内的无线基站和/或无线接入终端进行转发的无线基站，多个无线基站依次布置形成首尾相接的环形网络；相邻两个无线基站的距离小于或等于无线基站的信号覆盖区域半径的1/2。该环形网络系统单元使得一个或多个无线基站出现故障时，该巷道无线冗余中继环形网络系统仍可以正常通信，保证了施工进度和施工安全。

Description

一种巷道无线冗余中继环形网络系统单元和系统
技术领域
本发明涉及巷道无线通信技术领域，具体涉及一种巷道无线冗余中继环形网络系统单元及系统。
背景技术
近年来，随着矿山、地铁、隧道等各种巷道的不断开发建设，面向工业应用的移动终端种类和数量也越来越多，巷道无线通信技术越来越受到人们的关注。巷道环境空间狭长闭塞，弯曲起伏，导致无线信号衰减较大，因此在巷道中实现远距离无线覆盖难度较大。目前，巷道内的无线覆盖方式主要采用多个无线小基站分段覆盖，无线基站通过光缆连接至中心基站，无线终端在多个小基站之间无线漫游。这种无线星形组网方式，网络结构简单，安装复杂，维护难度较大，尤其是矿山井下作业区域进行变动的时候，无线基站就要不断拆除，再重新布置，从而增加设备维护工作量，降低了系统可靠性。尤其是当其中一个或多个基站出现故障时，将导致整个网络无法通信，影响施工进度和施工安全。
发明内容
本发明提出了一种巷道无线冗余中继环形网络系统单元，解决了现有无线网络系统因出现一个或多个无线基站出现故障而会导致整个网络无法通信的问题。
本发明采用的技术手段如下：
一种巷道无线冗余中继环形网络系统单元，包括基站管理器、无线接入终端以及多个无线基站；
所述基站管理器，用于监测无线基站和无线接入终端的运行状态和传输的数据，并对网络系统内的设备进行管理；
所述无线接入终端，用于传输用户端与无线基站之间的用户数据；
所述无线基站，用于接收所述用户数据，并在判定所述用户数据为第一次接收的数据时向所述无线基站的信号覆盖区域内的无线基站和/或无线接入终端进行转发；
多个所述无线基站依次布置形成首尾相接的环形网络；
相邻两个所述无线基站的距离小于或等于所述无线基站的信号覆盖区域半径的1/2。
进一步地，所述无线基站还用于在判定所述用户数据为第一次接收的数据时延时设定时间T后向所述无线基站的信号覆盖区域内的无线基站和/或无线接入终端进行转发。
进一步地，所述设定时间T为：
Figure BDA0002772935580000021
式中，M为接收到当前用户数据的无线基站的编号，M0为发出当前用户数据的无线基站的编号，T0由公式(2)进行计算：
Figure BDA0002772935580000022
式中，k为无线基站的数量，L为数据包长度，D为数据包时间间隔，V为空中通讯速率。
一种巷道无线冗余中继环形网络系统，包括多个本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统单元，多个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元依次布置形成首尾相接的环形网络。
进一步地，相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元中包括至少一对通过通信线缆连接的无线基站。
进一步地，相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元包括至少一对通过无线连接的无线基站。
进一步地，相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元包括至少一个通过通信线缆或无线连接的无线基站。
与现有技术比较，本发明所述的巷道无线冗余中继环形网络系统单元具有以下优点，由于具有多个无线基站，多个所述无线基站依次布置形成首尾相接的环形网络，相邻两个所述无线基站的距离小于或等于所述无线基站的信号覆盖区域半径的1/2，使得一个或多个无线基站出现故障时，该巷道无线冗余中继环形网络系统仍可以正常通信，保证了施工进度和施工安全。
附图说明
图1为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统单元的示意图；
图2为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统单元中一个或多个无线基站信号出现故障后用户数据传输的示意图；
图3为本发明公开的基站管理器/无线基站的结构原理图；
图4为本发明公开的无线接入终端的结构原理图；
图5为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统的第一种实施例的结构示意图；
图6为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统的第二种实施例的结构示意图；
图7为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统的第三种实施例的结构示意图；
图8为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统的第二种实施例的中一个或多个无线基站出现故障时用户数据传输的示意图。
图中：1、基站管理器，2、无线接入终端，20、无线收发单元，21、MCU处理器单元，22、通讯接口单元，23、电源管理单元，24、无线接入终端显示单元，3、无线基站，30、无中心分布式冗余无线收发T/R单元，31、无中心分布式冗余处理器MCU单元,32、冗余通讯接口COM单元,33、冗余电源管理单元,34、无线基站显示单元。
具体实施方式
如图1和图2所示为一种巷道无线冗余中继环形网络系统单元，包括基站管理器1、无线接入终端2以及多个无线基站3；
所述基站管理器1，用于监测无线基站和无线接入终端的运行状态和传输的数据，并对网络系统内的设备进行管理；
所述无线接入终端2，用于传输用户端与无线基站之间的用户数据；
所述无线基站3，用于接收所述用户数据，并在判定所述用户数据为第一次接收的数据时向所述无线基站的信号覆盖区域内的无线基站和/或无线接入终端进行转发；
多个所述无线基站依次布置形成首尾相接的环形网络；
相邻两个所述无线基站的距离小于或等于所述无线基站的信号覆盖区域半径的1/2。
具体地，如图3所示，无线基站是构建本发明所述环形网络的关键装置，由硬件电路和嵌入式软件构成。硬件电路由无中心分布式冗余处理器MCU单元31、无中心分布式冗余无线收发T/R单元30、冗余通讯接口COM单元32、冗余电源管理单元33和无线基站显示单元34等。无线收发单元实现无线基站之间的无线互联，无线收发单元T/R-1～T/R-n工作时须采用频分复用、时分复用或者码分复用方式，相互之间不能产生干扰，工作方式由MCU控制。通讯接口单元可以实现多环组网方式无线基站之间的有线连接，显示单元显示与本机有关的信息，嵌入式软件由C语言编写的硬件驱动程序和网络通讯协议组成。
从图中的硬件结构看出，无中心分布式冗余处理器单元包含n个并列的MCU处理器，此n个MCU没有中心，实现的功能相同，而且互为备份，形成冗余MCU，同时，无中心分布式冗余无线收发单元T/R，此n个T/R没有中心，实现的功能相同，而且互为备份，形成冗余T/R，冗余通讯接口单元具有两个相同的通讯接口COM-A和COM-B，这两个接口并行工作，互为备份，形成冗余接口。每个MCU均可以通过SPI总线和UART总线控制T/R-1～T/R-n和COM-A/B，每个T/R均可通过SPI总线受MCU-1～MCU-n控制，而且COM-A和COM-B也均可通过UART总线受MCU-1～MCU-n控制，冗余电源管理单元包含外接电源的稳压功能和电池输出管理功能，当外接电源出现故障，电池可以作为备份电源为硬件电路供电。由此可以看出，当n≥2时，冗余的硬件设计使得某个芯片或单元出现故障时，硬件电路还能正常工作，不会影响整个硬件电路的功能和性能，保证了无线基站能够稳定可靠的运行，当n越大时，可靠性就越高。
基站管理器的功能主要是用于监测无线基站和无线接入终端的运行状态和传输的数据，并对网络内的设备进行管理。基站管理器采用与图3所示无线基站基本相同的硬件电路结构，采用不同的嵌入式软件，显示单元有所不同，主要显示所管理的单环网络内所有基站和无线接入终端的有关信息，当某个基站或无线接入终端出现故障，显示单元上会进行预警提醒。通讯接口单元连接至上位机监控系统，用于监测网络内所有基站的运行状态和传输数据，进而进行大数据分析和处理。
如图4所示，无线接入终端包括MCU处理器单元21(包含模数转换和开关量输入输出)、无线收发单元20、通讯接口单元22、电源管理单元23和无线接入终端显示单元24等，其中MCU处理器单元通过UART或SPI总线实现无线收发单元和通讯接口单元的控制，通过I/O口采集用户输入的模拟量和开关量，并按要求输出用户需要的模拟量和开关量，T/R无线收发单元实现与无线基站的无线互联，该收发单元具有扫频、功率监测和输出功率自动调节的功能，通讯接口单元实现用户指定数据的输入与输出，显示单元显示与本机有关的信息和所在网络的有关信息。无线接入终端实现用户数据的输入输出，包含各种模拟量、开关量和用户数据包，例如语音、图片、视频、传感器、开关状态等，该终端可以是移动手持设备，也可以放置于在某个固定位置上，该装置由硬件电路和嵌入式软件构成。
本发明公开的无线环形网络单元包含三种电气装置，分别为无线基站、基站管理器和无线接入终端，此三种电气装置之间为无线互联，无线基站用于信号的无线中继与覆盖，无线接入终端实现用户数据的输入输出，包含各种模拟量、开关量和数据包，基站管理器用于监测无线基站的运行状态和传输的数据，并对环形网络内的设备进行管理。
在本申请中，每个无线基站可以用于接收所述用户数据，并在判定所述用户数据为第一次接收的数据时向所述无线基站的信号覆盖区域内的无线基站和/或无线接入终端进行转发；具体地，每个用户数据均包括当前用户数据的编号和用户数据的内容，无线基站中设有存储器，无线基站的存储器中存储有接收到的用户数据的编号，当无线基站接收到用户数据后，提取用户数据的编号，并在无线基站的存储器中查找是否包含当前用户数据的编号，如果包含，认为该用户数据不是第一次接收，如果不包含，认为该用户数据是第一次接收，并将该用户数据的编号存储在无线基站的存储器中。通过判断用户数据是否是第一次接收，使得每个无线基站对同一用户数据只转发一次，保证了用户数据转发的有序性。
如图2所示为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统单元的信号传输示意图(图中未示出无线接入终端和基站管理器)，如图所示，多个所述无线基站依次布置形成首尾相接的环形网络，该环形网络是一个单环结构，每个无线基站的信号覆盖半径为A，相邻两个无线基站的间距为D，相邻两个所述无线基站的距离小于或等于所述无线基站的信号覆盖区域半径的1/2，即A＞nD，n的取值范围为≥2，即一个无线基站至少需要覆盖相邻的2个无线基站，而且无线信号的传递方向同时具有顺时针和逆时针两个方向。从图中可以看出，当其中某个无线基站出现故障，例如2号无线基站发生故障无法运行，从1号发出的信号可以越过2号传至3号直至N号无线基站，又例如2号和3号基站同时出现故障，且无线基站的信号覆盖区域半径的内设置有两个无线基站，因此当2号和3号基站同时出现故障，信号无法顺时针传递，那么1号发出的信号可以从N号逆时针方向传至3号，这种方式使得该环形网络覆盖的区域不会因为某个基站出现故障而影响覆盖效果，从而大大增加了无线覆盖与信号传输的可靠性。
所述无线基站还用于在判定所述用户数据为第一次接收的数据时延时设定时间T后向所述无线基站的信号覆盖区域内的无线基站和/或无线接入终端进行转发。
具体地，所述设定时间T为：
Figure BDA0002772935580000061
式中，M为接收到当前用户数据的无线基站的编号，M0为发出当前用户数据的无线基站的编号，T0由公式(2)进行计算：
Figure BDA0002772935580000062
式中，k为无线基站的数量，L为数据包长度，D为数据包时间间隔，V为空中通讯速率。
通过设置合适的转发时间，避免了出现多个无线基站在同一时刻发送数据的可能性，避免无线干扰，保证了通讯链路的可靠性。
具体地，多个所述无线基站依次布置形成首尾相接的环形网络，该环形网络是一个单环结构，且从某个无线基站开始依次对每个无线基站进行设置编号(1、2…N)，当某个无线基站向其信号覆盖范围内区域转发用户数据时，会有多个无线基站(至少4个)接收到转发的用户数据，为了避免接收到用户数据的多个无线基站同时对接收到的用户数据进行转发，将各个无线基站是转发设置为不同值，例如，当前用户数据为6号无线基站发出，且在6号无线基站的信号覆盖区域内共有4个无线基站(编号依次为4、5、7、8)可以接收到其发出的用户数据，编号为4、5、7、8的无线基站在接收到6号无线基站转发的用户数据后依次延时的时间为4T0、2T0、1T0、3T0。
一种巷道无线冗余中继环形网络系统，包括多个本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统单元，多个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元依次布置形成首尾相接的环形网络。
如图5所示为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统的第一种实施例，包括多个本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统单元(图中显示了4个)，相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元中包括至少一对通过通信线缆(通信电缆或光缆)连接的无线基站。
具体地，如图5所示，NET-1单环网络(巷道无线冗余中继环形网络系统单元中的环形网络)中的某个基站(该基站可以随意选定)与NET-2单环网络(巷道无线冗余中继环形网络系统单元中的环形网络)中的某个基站通过通讯电缆或者光缆等有线方式连接，实现了两个单环网络的互联，无线网络覆盖就由NET-1区域延伸至NET-2区域，从而扩大了无线覆盖范围。同理，NET-1、NET-2与NET-n-1、NET-n等其他单环网络根据巷道地形也可以采用NET-1与NET-2连接的方式进行互联，进一步扩大巷道中的无线覆盖范围。
如图6所示为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统的第二种实施例，包括多个本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统单元(图中显示了4个)，相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元包括至少一对通过无线连接的无线基站。
具体地，如图6所示，NET-1单环网络中的某个基站(该基站可以随意选定)与NET-2单环网络中的某个基站通过无线方式连接，并共用两个单环网络中的重叠基站，实现了两个单环网络的互联，无线网络覆盖就由NET-1区域延伸至NET-2区域，从而扩大了无线覆盖范围。同理，NET-1、NET-2与NET-n-1、NET-n等其他单环网络根据巷道地形也可以采用NET-1与NET-2连接的方式进行互联，进一步扩大巷道中的无线覆盖范围。
如图7所示为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统的第三种实施例，包括多个本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统单元(图中显示了4个)，相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元包括至少一个通过通信线缆或无线连接的无线基站。
具体地，如图7所示，NET-1单环网络中的某个基站(该基站可以随意选定)与NET-2单环网络中的某个基站通过无线或有线方式连接，实现了两个单环网络的互联，无线网络覆盖就由NET-1区域延伸至NET-2区域，从而扩大了无线覆盖范围。同理，NET-1、NET-2与NET-n-1、NET-n等其他单环网络根据巷道地形也可以采用NET-1与NET-2连接的方式进行互联，进一步扩大巷道中的无线覆盖范围。
如图8所示为本发明公开的巷道无线冗余中继环形网络系统的第二种实施例多个无线基站出现故障后，网络系统通信的路径示意图，图中为NET-2单环网络内的多个相邻基站出现故障无法正常运行，如果是单环网络，极可能出现网络中断的现象，而多环组网方式借助相邻的其他单环网络，通过K(K≥1)条其他路径实现网络畅通，保证无线信号的中继覆盖性能不受影响。多环组网方式相对于单环组网方式具有更高的网络可靠性和灵活性，保证了施工进度和施工安全。
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种巷道无线冗余中继环形网络系统单元，其特征在于：包括基站管理器、无线接入终端以及多个无线基站；
所述基站管理器，用于监测无线基站和无线接入终端的运行状态和传输的数据，并对网络系统内的设备进行管理；
所述无线接入终端，用于传输用户端与无线基站之间的用户数据；
所述无线基站，用于接收所述用户数据，并在判定所述用户数据为第一次接收的数据时向所述无线基站的信号覆盖区域内的无线基站和/或无线接入终端进行转发；
多个所述无线基站依次布置形成首尾相接的环形网络；
相邻两个所述无线基站的距离小于或等于所述无线基站的信号覆盖区域半径的1/2；
所述无线基站还用于在判定所述用户数据为第一次接收的数据时延时设定时间T后向所述无线基站的信号覆盖区域内的无线基站和/或无线接入终端进行转发；
所述设定时间T为：
Figure FDA0004019785540000011
式中，M为接收到当前用户数据的无线基站的编号，M0为发出当前用户数据的无线基站的编号，T0由公式(2)进行计算：
Figure FDA0004019785540000012
式中，k为无线基站的数量，L为数据包长度，D为数据包时间间隔，V为空中通讯速率。
2.一种巷道无线冗余中继环形网络系统，其特征在于：包括多个权利要求1所述的巷道无线冗余中继环形网络系统单元，多个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元依次布置形成首尾相接的环形网络。
3.根据权利要求2所述的巷道无线冗余中继环形网络系统，其特征在于：相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元中包括至少一对通过通信线缆连接的无线基站。
4.根据权利要求2所述的巷道无线冗余中继环形网络系统，其特征在于：相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元包括至少一对通过无线连接的无线基站。
5.根据权利要求2所述的巷道无线冗余中继环形网络系统，其特征在于：相邻两个所述巷道无线冗余中继环形网络系统单元包括至少一个通过通信线缆或无线连接的无线基站。
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