CN204145761U - 一种多模式矿井无线通信网关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多模式矿井无线通信网关，该网关包含混合式耦合器、4×4光开关矩阵、加法电路、网关处理单元、SISO/MIMO接入模块、协议转换模块、路由转发模块、无线接口模块、光接口和总线接口，所述通信网关耦合到通信基站，并通过光链路与天线单元或射频单元进行通信。该网关采用多模式工作方式，为井下通信装置提供16路无线电信信道和/或16路经过数字调制的光信道；本实用新型网关部署灵活，信道容量大，抗干扰能力强，满足矿用特定使用环境和安全要求，适用于煤矿井下WCDMA网络、WiFi网络、TD-LTE网络和WiMAX网络等异构网络的移动通信和移动监控，保障煤矿井下移动终端在异构网络的移动通信和快速切换。

Description

一种多模式矿井无线通信网关

技术领域

本发明专利涉及一种适用于煤矿井下移动通信系统的通信装置，具体地说是涉及一种多模式矿井无线通信网关。 

背景技术

随着煤矿信息化建设的发展和矿井通信业务的需求增加，井下逐渐出现多种无线接入网的并存趋势，如矿井WCDMA、WiFi、UWB、WiMAX和TD-LTE等，它们与传统的矿井移动通信网络一起组成了一个复杂的矿井异构无线网络环境。然而，一方面由于矿井多模式、多频段无线通信网络同时共存，现有矿井移动通信系统网络覆盖范围有限，难以满足井下移动用户的多模式通信需求和异构网络的多业务需求；另一方面，由于矿井巷道狭长、无线场强呈带状分布，难以采用一个中心基站进行网络覆盖，如果通过大量的拉远基站实现宽带矿井移动通信的无线覆盖，这必然使投资成本迅速提高，就需采用矿井分布式天线技术实现WCDMA、WiFi、WiMAX和TD-LTE等异构网络系统复用的无线接入。因此在矿井分布式天线系统架构下，如何实现井下移动终端在矿井移动通信系统与上述异构网络之间的快速切换，以及如何保证井下移动终端在移动过程中通过切换获得持续有效的通信服务保障尤为重要。传统的切换方法一般采用基于移动终端接收信号强度测量的硬切换和软切换，以及站点选择的发送分集切换等，这些切换方法都是以移动终端测量无线信号接收强度作为切换参数，需要通过上层信令交互通知基站完成切换任务，而分布式多天线系统具有系统功率低、场强覆盖均匀的特点，采用以井下移动终端测量所接收无线信号强度作为切换参数的切换方法来完成基站的天线选择和无线资源管理，使得井下移动终端的测量过程和多次信令传递所带来的高复杂性和传输时延切换方法将无法应用于多天线分布式矿井移动通信系统中，也难以满足矿井异构无线网络的天线选择需求和切换要求。 

发明内容

本发明的主要目的在于解决上述不足之处，将波分复用无源光网络(WDM-PON)与基于光纤无线电(RoF)的分布式MIMO天线相结合，为实现多模式、多频段的宽带矿井移动通信及井下移动终端在异构网络的快速切换，提供了一种多模式矿井无线通信网关。 

本发明采用的技术方案是：一种多模式矿井无线通信网关被配置成包含混合式耦合器、4×4光开关矩阵、加法电路、MIMO处理器、数字IF处理器、SISO/MIMO接入模块、协议转换模块、路由转发模块、光接口和总线接口，所述通信网关耦合到通信基站，并通过光链路与远端天线单元或射频单元进行通信。 

所述通信网关为井下通信装置提供16路无线电信道和/或16路经过数字调制的光信道。 

所述通信网关采用WCDMA、WiFi、TD-LTE和/或WiMAX无线空中接口。 

所述通信网关能够选择包括SISO模式、MIMO模式和混合模式多个操作模式工作；在SISO模式中，所述通信网关通过光开关矩阵选择处理SISO信号；在MIMO模式工作时，所述通信网关通过光开关矩阵选择处理MIMO信号；在混合模式工作时，所述通信网关通过加法电路组合处理SISO和MIMO的输出信号。 

所述通信网关通过耦合器与MIMO基站或SISO基站耦合，并在相应的第一天线端口和第二天线端口接收来自MIMO基站或SISO基站的第一信号和第二信号，并且在至少一个输出端口上提供输出信号。 

所述通信网关包括3db的正交耦合器，用于多个输出端口上输出正交相移的多个输出信号。 

所述通信网关提供多个天线端口，用于与远端天线单元耦合以及接收远端天线单元的已调信号，并为上行链路发送信号。 

所述通信网关提供提供以太网、光接口和总线接口，总线接口包括CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口和RS232/485通讯接口。 

所述通信网关具有井下防爆功能的外壳。 

所述通信网关为本质安全型防爆装置。 

所述通信网关为通信基站、手持移动台、车载移动台和无线通信终端提供无线通信。 

本发明的有益效果在于： 

(1)通过采用多模式矿井无线通信网关在SISO模式、MIMO模式和混合模式之间的选择性耦合或动态切换技术，提高了矿井移动通信系统的抗干扰能力和应急通信能力。 

(2)通过采用基于RoF光线无线电技术的分布式天线和多模式矿井无线通信网关，实现异构网络系统的重载和快速切换。 

(3)通过采用多模式矿井无线通信网关，将数据信号、视频信号、音频信号落地，实现井下数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备和有线电话的接入。 

该通信网关采用多模式工作方式，工作频带宽，抗干扰能力强，符合矿用特定的使用环境和安全要求，适宜部署在煤矿井下高温、高湿和电磁干扰严重等恶劣工作环境；该网关具有配置灵活、快速切换、无信令开销的优点，能够提高矿井移动通信系统的功率效率和切换效率，保障矿井移动通信系统的移动性要求；能够通过与SISO或MIMO基站耦合，易于配置成WCDMA网络、WiFi网络、TD-LTE网络和WiMAX网络的接入网关，并完成上述异构网络的网间切换。 

附图说明

此处所描述的附图用于对本发明的进一步解释和理解，构成本申请的一部分。在附图中： 

图1是本发明实施例的多模式矿井无线通信网关结构示意图； 

图2是根据本发明优选实施例的多模式矿井无线通信网关重载异构网络结构框图； 

图3是根据本发明优选实施例的多模式矿井无线通信网关结构框图； 

图4是根据本发明优选实施例的混合式耦合器工作原理框图。 

下面将参考附图并结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。 

具体实施方式

参照图1，实施例中多模式矿井无线通信网关60能够动态地选择SISO模式、MIMO模式和混合模式进行工作，多模式矿井无线通信网关60包括N个(1≤N≤16)无线电信道621或经过数字调制的光信道622、基带处理器604、MIMO处理器605、数字IF处理器606、混合式耦合器601、加法电路602、光开关矩阵603以及无源光网络接口607、总线接口608和无线接口609。其中每个无线电信道621可以被配置成处理来自井下防爆单输入单输出(SISO)基站40和井下防爆多输入多输出(MIMO)基站50的信号。对FDD空中接口而言，无线电信道621使用了复用器/双工器670来处理上行链路信号及下行链路信号。RF下变换器680可以放大来自复用器670的接收信号，并将信号的中心频率设置在A/D转换器681通带内部。宽带A/D转换器681将空中接口的全部下行链路信道数字化，并通过重新采样、抽取和滤波后发送到远端天线单元70。而对上行链路信道的处理与上述下行链路处理方式相反。在多模式矿井无线通信网关60中，如果系统未激活混合式耦合器665，那么来自SISO基站40的信号通过光开关矩阵603被传送至远端天线单元70的至少一部分，并且可以采用与SISO系统相似的方式来使用该系统。但在选择性地激活混合式耦合器601时，来自SISO基站40的信号可以与组合的MIMO基站50输出信号相结合，通过组合电路和光开关矩阵603，从而使每一个远端天线单元70通过与SISO基站40使用的无线频率相对应的至少两个无线频率来传输来自SISO基站40的信号，以及传输所有的两个或全部MIMO信号。由此，多模式矿井无线通信网关60选择性激活光开关矩阵603，处理并动态地将系统从SISO工作模式重新配置成MIMO工作模式或具有组合SISO和MIMO信号的混合工作模式。因此，在一些实施例中，系统可以作为单独被配置成处理LTE主同步信号和/或WiMAX帧前导的MIMO系统来使用，其中所述LTE主同步信号和/或WiMAX帧前导仅由一个MIMO基站天线传输，或者可以选择地仅由一个MIMO基站天线传输。图1示出的多模式矿井无线通信网关60将来自MIMO基站50的第一信号和第二信号的一部分可以交叉耦合或组合，并且可以被发送至所有的远端天线单元70，而不会影响其MIMO操作。举例来说，系统的每个远端天线单元都可以被配置成传输来自MIMO基站50及其天线的所有的数据流以及组合的SISO基站40信号，不同的井下移动终端80(SISO和MIMO)采用MIMO空分复用技术，并能够从多模式矿井无线通信网关60馈送的不同的远端天线单元70接收不同的信号。 

图1中示出的多模式矿井无线通信网关60采用混合式耦合器601，为90°相移的正交耦合器，可以交叉耦合所有MIMO信号，并且可以在不影响MIMO操作的情况下将其发送至所有远端天线单元，每一个远端天线单元都可以传输所有的MIMO并行数据流而不会引起码流干扰。即：分布式MIMO天线中发送的数据被拆分在两个并行的分布式MIMO系统中，一个系统是同相的，另一个系统是90°相移的，因此通过90°相移的正交耦合器，不仅可以提高信道容量，而且能够解决了系统存在的远近效应问题。在某些实施例中，多模式矿井无线通信网关60通过耦合SISO基站40和MIMO基站50，可以被配置成多模式工作的具有总线接口608和无线接口609的控制单元，通过多模式矿井无线通信网关60与远端天线单元70连接，经由无源光网络WDM-PON重载后分别与WCDMA、WiFi、TD-LTE和WiMAX网络通信，并通过总线 接口608接入远端监控系统700，实现井下机车、人员等移动目标监控。而且，在某些实施例中，多模式矿井无线通信网关60系统被配置成具有以太网接口、光接口的无源光网络终端，通过光链路与光线路终端相耦合组成无源光网络，并与井下工业以太网设备、有线电话连接，实现井下数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备和有线电话的接入。 

参照图2，为多模式矿井无线通信网关重载异构网络结构示意图。其中异构网络无线接口模块609包括WCDMA无线接口模块682、WiFi无线接口模块683、WiMAX无线接口模块684和TD-LTE无线接口模块685。矿井移动通信系统在未实现WCDMA、WiFi、TD-LTE和WiMAX等系统重载前，由于TDD与FDD在信号传输过程中，上下行同步放大的同步方式不同，所以必须将TDD与FDD区别开来。一方面，根据TDD信号的特点与基站保持同步，实现时隙同步放大。FDD信号由于上下行信号频率不同，只需根据频率分别放大，实现相对简单。另一方面，由于矿井巷道狭长，呈带状分布，难以采用一个800MHz或2.4GHz的中心基站进行覆盖，而且WCDMA和WiFi的覆盖频率非常有限，如果要实现矿井无线通信宽带移动就需要大量的拉远基站，必然使投资成本迅速提高，因此，就需考虑采用WiFi、WiMAX和TD-LTE等多系统重载的无线接入方式，而TD-LTE和WiMAX基站的上、下行速率达到100bit/s，在如此高带宽的情况下，多模式矿井无线通信网关60被配置成具有异构网络的无线接口模块609通过RoF接入技术实现与地面基站55和井下异构网络的连接，异构网络的无线接口模块609通过WDM光复用单元710、WDM发送单元720、WDM接收单元730和WDM解复用单元740实现光纤无线电载波复用，井下移动终端80根据多模式矿井无线通信网关60提供的功率分配和天线选择策略，通过远端天线单元70进行异构网络垂直切换。其中异构网络包括WCDMA无线网络782、WiFi无线网络783、WiMAX无线网络784、TD-LTE无线网络785。通过多模式矿井无线通信网关60实现异构网络系统重载后，由于上、下行信号采用不同波长(或频率)在不同的光路进行放大，因而不存在无线信号的自激与干扰，可以有效地解决因上、下行信号复用方式的不同而必须采用不同的同步放大的问题。 

参照图3，图中描述的是本发明优选实施例的多模式矿井无线通信网关的结构框图。多模式矿井无线通信网关60由网关处理单元60L和通信接口电路(61L～68L，611～617)构成；网关处理单元60L由基带处理器、MIMO处理器和数字IF处理器组成；通信接口电路包括无线接口模块61L、关开关矩阵62L、混合式耦合器63L、WDM单元64L、光接口611、以太网接口612、CAN总线接口613、PROFIBUS总线接口614、LONWORKS总线接口模块615、FF总线接口616、RS232/485接口617以及协议转换模块66L、路由转发模块67L和SISO/MIMO接入模块68L，其分别与MIMO处理单元60L连接，MIMO处理单元60L完成基带处理、数字IF及下变频处理、A/D转换和时钟同步等。多模式矿井无线通信网关60将音频信号、以太网数据信号、视频信号落地，实现井下语音、数据、视频图像等多媒体业务的传输及工业以太网设备、监控通信设备、以太网终端和无线信号的接入。其中，光接口611、通过WDM单元64L接入系统主干网络，光开关矩阵62L、混合式耦合器63L与基站相连；多模式通信网关60通过光接口611和/或以太网接口612实现与井下以太网终端、工业以太网等设备的连接，为井下数据、视频图像等多媒体提供接入；多模式矿井无线通信网关60通过无线接口61L、CAN总线接口613、PROFIBUS总线接口614、LONWORKS总线接口615、FF总线接口616和RS232/485接口617实现与现场模拟量控制设备和数 字量控制设备的信号采集及控制和监控通信设备的连接，实现井下移动目标监控。 

参照图4，描述的是多模式通信网关中混合式耦合器工作原理框图，混合式耦合器63L本质上为90°相移的3dB正交耦合器，可以交叉耦合所有MIMO信号，该耦合器充当的是用于补偿井下环境移动终端“远近效应”所导致的码字之间的性能损失的MIMO预编码电路。图4示出的等式f和h分别表示90°相移的3dB正交耦合器的输入与输出端口的关系以及传递函数矩阵，传递函数矩阵h可被认为是90°相移的3dB正交耦合器的MIMO预编码矩阵。通过将90°相移的3dB正交耦合器用于多模式矿井移动通信系统的分布式MIMO天线系统中，可以将预编码处理的性能放在MIMO基站的天线端口，而不是在MIMO基站物理信道处理中。根据本发明实施例中使用的混合式耦合器63L会使输入信号正交，输入端口1、2与输出端口3、4之间的设备具有互易性，因此输入端口和输出端口交换后得到的传递函数矩阵h仍然相同，从而使本发明在不影响MIMO空间复用的情况下提供组合MIMO信号的能力。 

显然，本领域的技术人应该明白，上述本发明所涉及的各模块和功能，除作为矿井无线通信网关用于煤矿井下环境外，通过适当集成或改进后也适用于非金属和金属矿井的移动通信系统、移动监控或移动计算的通信网关，这样本发明不限制除移动通信之外的移动监控和移动计算等通信技术领域。 

以上内容是结合具体的优选实施例方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明设计思路的前提下，还可进行若干个简单的更改和替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书所涉及的保护范围。 

Claims (6)

1.一种多模式矿井无线通信网关，其特征在于，所述通信网关包含混合式耦合器、4×4光开关矩阵、加法电路、基带处理器、MIMO处理器、数字IF处理器、SISO/MIMO接入模块、协议转换模块、路由转发模块、光接口和总线接口，所述通信网关耦合到通信基站，通信基站包括MIMO基站或SISO基站，MIMO基站或SISO基站至少包括第一天线端口和第二天线端口，并通过光链路与天线单元或射频单元进行通信；其特征还在于， 

所述通信网关为井下通信装置提供16路无线电信信道和/或16路经过数字调制的光信道；以及 

所述通信网关能够选择多个操作模式工作，操作模式包括SISO模式、MIMO模式和混合模式：在SISO模式工作时，所述通信网关通过光开关矩阵选择处理SISO信号；在MIMO模式工作时，所述通信网关通过光开关矩阵选择处理MIMO信号；在混合模式工作时，所述通信网关通过加法电路组合处理SISO和MIMO的输出信号。 

2.根据权利要求1所述的通信网关，其特征在于，所述通信网关采用WCDMA、WiFi、TD-LTE和/或WiMAX无线空中接口。 

3.根据权利要求1所述的通信网关，其特征在于，所述通信网关通过耦合器与MIMO基站或SISO基站耦合，并在相应的第一天线端口和第二天线端口接收来自所述MIMO基站或所述SISO基站的第一信号和第二信号，并且在至少一个输出端口上提供输出信号。 

4.根据权利要求1所述的通信网关，其特征在于，总线接口包括CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口和RS232/485通讯接口。 

5.根据权利要求1所述的通信网关，其特征在于包括： 

3db的正交耦合器，用于多个输出端口上输出正交相移的多个输出信号； 

多个天线端口，用于与远端天线单元耦合以及接收远端天线单元的已调信号，并为上行链路发送信号； 

总线接口，包含CAN总线接口、PROFIBUS总线接口、LONWORKS总线接口、FF总线接口和RS232/485通讯接口；以及 

以太网接口、光接口和具有井下防爆功能的外壳。 

6.根据权利要求1所述的通信网关，其特征在于，所述通信网关为本质安全型防爆装置。