（通信与信息系统专业论文）专用分组无线调度网的研究与实现.pdf

摘要 摘要 煤矿井下移动通信是矿井调度员、电机车司机及其他工作人员之间通信联络的主要 手段，在矿井安全、高效生产、抢险救灾中发挥着十分重要的作用。但目前的煤矿通信 系统却非常落后，仅能在作业面外进行相对简单的有线通信。本文以东南大学移动通信 国家重点实验室承接的煤矿井下通信项目为依托，认真分析了煤矿井下的环境特点和业 务要求，借鉴了现有的移动通信技术，设计了一种类似于a dh o e 的分组无线调度网 p r t n ( p a c k e tr a d i ot r u n k i n gn e t w o r k ) 并完成了实地功能测试。 本文主要针对在煤矿井下作业面内实现p r t n 的一系列难题进行了理论分析、方案 论证、具体实现等。概括起来主要有如下几个方面： 1 完成了通信方案的选择。在借鉴i s o o s l 模型的基础上，吸收了a dh e l c 多跳、 自组织的思想，并且结合井下作业面的环境特点、业务需求，提出了p r t n 的 实现方案。 2 完成了p r t n 通信系统的软、硬件平台。根据技术指标以及使用环境提出了芯 片选择的原则，并在此基础上设计了比特流的收发通道；根据业务特点，同时 考虑底层硬件能力的基础上设计了协议栈：通过多次室内、室外测试，使硬件 平台、协议栈进一步得到了完善，从而完成了整个系统的实现。 3 分析了p r t n 通信系统在跳数增加时将会出现的问题，并针对这些问题提出了 一些相应的解决方法。 实地功能测试表明：p r t n 通信系统能有效解决煤矿井下作业面的通信问题，它所 提供的话音、打点、数据业务满足用户的需求。并且，由于其具有体积小、重量轻、组 网灵活、方便携带等特点得到了用户的好评。 p r t n 通信系统无论从理论上，还是从应用上都具有很大的价值。在理论上，p r t n 通信系统用一般只能传输数据的a dh o c 网络技术，提供了实时性要求较强的话音业务； 在应用上，虽然p r t n 通信系统是针对煤矿并下作业面设计的，但对于没有固定网络设 施的偏远野外、抢险救灾的紧急场合等环境下，只要逻辑线性的拓扑结构能满足要求， p r ：i n 通信系统一样可以很好的发挥作用。 关键宇：分组无线调度网 a dh o c 网络 分层模型协议栈 a b s t r a c t a st i l em a i nm e a n so fc o m m u n i c a t i o n sf o rm i n ed i s p a t c h e r s ，e n g i n ed r i v e r sa n do t h e r o p e r a t o r si ni n i i l s y s t e m , m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sv i t a li m p o r t a n tf o rs e c u r i t ya n de 蚯c i e n c y h o w e v e r , t h ec o a l - m i n i n gc o m m u n i c a t i o n sa r es t i l ls oo m d a t e dt h a to n l yw i r et e l e p h o n ec a n b eu s e df a rf r o mt h ew o r k i n g p l a c e a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c to fc o a l - m i n i n gc o m m u n i c a t i o n s s y s t e ms u p e r v i s e db ys o u t h - e a s tu n i v e r s i t yn a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h l a b o r a t o r y , t h et h e s i sp r o p o s e sap a c k e tr a d i ot r u n k i n gn e t w o r kb a s e do na dh o e ，w h i e hi s a b b r e v i a t e da sp r 丁na n d h a sb e e nf i e l dt e s t e ds u c c e s s f u l l y i no r d e rt or e s o l v et h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e m se m e r g e di nm i n e ，t h et h e s i sp e r f o r m sa l o tt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s c h e m ed e m o n s t r a t i o n sa n dr e a l i z a t i o n s i ng e n e r a l ，t h et h e s i sm a k e s f o l l o w i n g s e v e r a lw o r k s ： ls e l e c t i o no fs y s t e ms c h e m e b a s e do nt h em o d e lo fi s o ，o s i t h et h e s i sa b s o r b st h e i d e ao f m u l t i - h o pa n ds e l f - o r g a n i z a t i o ni na dh o cn e t w o r ka n dp r o p o s e st h ec o n c e p t o f p r l na c c o r d i n gt ot h es p e c i a le n v i r o n m e n t sa n da p p l i c a t i o i l si nm i l l es y s t e m 2 d e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t - w a r eo f t h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n sa n d a g t l l a lw o r k i n ge n v i r o n m e n t s ，t h et h e s i si n v e s t i g a t e st h ef a c t so fh o wt oc h o o s e p r o p e rc h i p st om e e tt h er e q u i r e m e n ta n dd e s i g n st h et r a n s c e i v e r sb i ts u e a m c h a n n e l ；a c c o r d i n gt ot h eb u s i n e s ss p e c i a l t ya n dt h eh a r d w a r e sa b i l i t y , t h et h e s i s d e s i g n st h ep r o t o c o ls t a c k ；b yn u m e r o u st e s t i n gi n d o o r sa n do u t d o o r s ，t h et h e s i s i m p r o v e st h eh a r d w a r ea n dp r o t o c o ld e s i g n , a n dt h er e a lp r t ns y s t e mc o m e st ot h e f o r e 3 a n a l y s i so f i m p r o v e m e n t s i ne a r l yd a y s ，p r o b l e m sm a y o c c u rw h e nh o pi si n c r e a s e d , t h et h e s i sh a v e s t i g a t e st h ep h e n o m e n o na n dg i v e ss o m ec o r l l t e r r l e a s u r e s f i d dt e s ts h o w s ：t h a tp 】硎c a nm e e tc o a l m i n i n gc o m m u n i c a t i o n se f f e c t i v e l y , i ti s h i g h l yp r a i s e db yi t ss m a l lv o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，f l e x i b l eo r g a n i z a t i o na n de a s yt o t e p r t ni sv a l u a b l eb o t hi nt h e o r ya n di np m e t i e e t h e o r e t i c a l l ys p e a k i n g p r ：掰p r o v i d e s am a a n $ t ot r a n s f e rr e a l t i m ev o i c ei na dh o ct h a to n l yn o n - r e a l - t i m ep a c k e td a t aa r e t r a n s f e r r e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h o u g hp r t ni sp r o p o s e df o rt h ec o a l - m i n i n gs y s t e m , i tc a n a l s ob ea p p l i e di ns u c hc i s c sa so u t l y i n gf i e l d , e m e r g e n ts p o tt h a ta r ed i f f i c u l tt oe s t a b l i s h c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t , p r o v i d e dt h el o # c a lt o p o l o g ys t r u c t u r ei ss a t i s f i e d k e yw o r d s ：p r t n a dh o c l a y e r e dm o d e l p r o t o c o ls t a c k 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 一躲簪t 嗍纠 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 一躲牛名：烨 第一章绪论 随着社会的发展，科技的进步，社会分工越来越细，人们对信息交流的要求也越 来越高，从而使人们对“无论任何人在任何时间、任何地点，可以跟任何人进行任何 种类一语音、数据和图像等的通信”的5 w 通信时代的到来热切企盼，移动通信无 疑是实现5 w 通信的关键一环，这种企盼使得无线通信技术在近年来得到了飞速的发 展，蜂窝移动通信系统、w 皿a x 、无线局域网、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 、家庭互联网 ( h o m e r f ) 等移动通信技术都纷纷涌现。相比而言，煤矿通信系统却依然很落后， 仅能在作业面外进行相对简单的有线通信，严重影响和制约了煤矿生产效率和安全系 数的进一步提高。 1 1 煤矿通信系统的现状、发展和需求 煤矿井下移动通信是矿井调度员、电机车司机及其他工作人员之间通信联络的主 要手段，在矿井安全、高效生产、抢险救灾中发挥着十分重要的作用。目前，我国煤矿 井下无线通信的主要方式有动力线载波通信、感应通信、漏泄通信以及中频无线电通 信等“ 动力线载波通信主要是在矿井架线机车上应用，借助矿井动力电缆或机车架 线作为信道，将语音信号调制成几十千赫兹的载波在信道上传输。这种通信 方式在传输距离、通话清晰度和抗干扰能力上都无法适应现代化矿井的需要。 感应通信是在巷道中铺设一条接地的感应传输线，利用电磁感应的原理实现 信号传输。收发信机采用电磁耦合式天线，通话时将天线靠在感应传输线上。 感应通信传输频率通常选择在2 m h z 以下，而在这个频段，煤矿井下的机电 噪声较大，对通话质量影响也最严重。另外，当感应传输线离巷道壁太近时， 容易造成电磁场空间分布的不均匀，引起较大的能量损耗，从而影响通信距 离。 漏泄通信是通过在巷道中架设一条特制的同轴电缆( 漏泄电缆) ，每隔一段距离 在电缆上开一个槽孔，利用泄漏出的电磁场实现远距离通信。它是实现井下 巷道内无线传输的一种较理想方式。该通信系统造价十分昂贵，需敷设专用 传输线，移动台接收距离通常限制在距漏泄电缆3 0 m 的范围内，并且耦合技 术和漏泄电缆架设技术复杂，维护管理代价高。 以上这些通信方式都是以有线线缆为基础，虽存在这样那样的缺点，但也只能在 可以敷设线缆的场合应用，如巷道等：在采掘工作面等不能铺设线缆的地方这些通信 技术更是没有用武之地，使得井下通信受到如下一些限制： 活动范围及移动性的限制：现有井下通信系统依赖有线线缆，在采掘工作面 等无法敷设线缆的场合就不能进行有效的通信，以至不能对生产实施实时的 调度。 通信业务单一：现有的煤矿通信系统只把话音业务作为通信的主要内容，基 本没有从数据业务的角度进行网络设计，系统不能方便的进行增值业务的开 发、开放，网络市场化经营的基础薄弱。 不适应抢险的需要：当遇到矿井突发事故，导致坍塌，爆炸等严重破坏了现 有的依赖有线线缆的通信方式，以至无法了解井下事故区的具体情况，从而 造成领导层信息不通、指挥不灵、数字不准，非常不利于事故的抢险，极易 造成事故损失的扩大。 查堕查堂堡圭兰垡丝苎 为了确保煤矿系统的信息畅通、可靠、安全且无处不在，建立起一个覆盖面广的、 服务类型完备的、兼具独立性、安全性、经济性的无线专用网络是必然的。但由于煤 炭生产有着自身的很多特殊性，如工作场地主要在地下，工作环境恶劣( 工作区域狭 小、照明差、潮湿、有腐蚀性) ，不安全因素多( 主要有水、火、瓦斯、顶板等事故的 威胁) ，人员、设备流动性大；作业经常性的有很多重型设备参与其中，对设备之间的 运输、安装、调试配合要求很高，信息传输必须及时、准确；同时，煤矿地面的管理 部门、生产辅助环节又具各地面工厂生产的一切特点，使得煤矿通信网必须既满足井 下的安全、生产的需要，又要满足地面生产、指挥、管理以及人们生活等各方面的需 求，以至于现有的通信方式都不能有效的解决在这样的背景下通信的要求。 1 2 课题的总体目标及所开展的工作 1 2 1 总体目标 东南大学移动通信国家重点实验室承接煤矿井下通信项目，目标是在煤矿井下建 立运行可靠的生产调度通信系统，该系统取名为无线分组集群通信网络p r t n ：p a c k e t r a d i o t r u n k i n g n e t w o r k ，它可以为井上的生产管理人员、井下的生产管理人员、电机 车司机、皮带维护工、采掘工以及其它流动人员等提供实时可靠的移动通信服务，保 证所有工作人员与生产调度室之间能够及时取得相互联系；该网络还支持低速数据业 务，用来监控井下的机械设备、工作环境等参数，保证井下生产的安全、高效；同时 提供与地面通信系统提供接口，以便能与矿井行政通信系统实现组网，保证指挥的快 速有效；同时具有安装方便快捷、组网灵活，满足抢险需要等特点。 根据需求情况以及先小后大、先易后难的原则，我们采取了分步骤、分间断的方 法把整体目标的实现分为如下几步：第一步实现作业面的移动通信，这主要是因为现 在作业面内还没有有效的通信方式，需求巨大并且也很急迫；第二步实现作业面和巷 道的移动通信；第三步就是实现井下的全无线的移动通信并且提供与地面通信系统接 口，彻底实现无线分组集群通信网络p r t n 的所有功能。为了叙述的方便，我们把第 一步在作业面内的实现的移动通信系统称为p r t n ，第二步在作业面和巷道内实现的 通信系统称为p r t n + ，第三步实现的通信系统称为p r t n + + 。 在这样的整体目标下，网络不仅是各种系统数据交流的承载通道，同时也是话音 业务、数据业务的承载通道。所以，除了硬件设备的支持外，还需要制订出完善的通 信协议及传输控制方案，以满足无线信道中多种业务传输的要求。 1 2 2 开展的工作 我研究的课题主要是基于上述应用背景，在熟悉已有的硬件平台上设计出更加可靠 有效的比特流传输管道；在参考无线网络相关的通信协议的基础上，参与该通信系统各 层通信协议方案的制定；通过室内外测试，提出硬件和协议的修改方案，从而使p r t n 通 信系统更加可靠的工作：分析p r t n + 系统的技术难点并提出相应的解决策略，主要是完 善的m a c 机制和合理的多跳调度算法；在现有平台上实现低速数据，打点等业务。为完 成该课题研究与设计，开展了以下的工作： 1 熟悉已有的软、硬件平台。软件平台主要是f a s t c h i p 、k e i l ：硬件平台主要 是e 5 以及e 5 的开发方式等。 2 熟悉分组网、a dh o c 、w s n 等网络技术。在熟悉上述网络技术的基础上结合 2 p r t n 通信系统具体的应用环境、业务特征参与了p r t n 协议栈的设计制定工 作。 3 通过室内测试、户外测试、现场测试等方法，提出了p r t n 通信系统的软、硬 件的改进方案，并给予实现。主要包括如下两部分：设计了更加可靠的b i t 流传输管道；完善了己制定的协议栈，修改了软件b u g 。 4 为了进一步完善p r t n 的功能，重点研究了协议栈中的m a c 层协议、多跳调 度算法。包括m a c 的实体模型、业务面、控制面的相关功能位置，上下层 的接口控制，以及节点之间、节点与终端之间m a c 控制方法；多跳调度机 制在协议栈中所处的位置和算法；如何在m a c 层对有优先级用户的话音、 数据( 包括打点等业务) 提供有效且公平的o o s 保障。 1 3 论文的主要内容和结构 本文一共分为六章。第二章系统性介绍p r t n ( 无线分组集群通信网) 的实现方 案，具体包括现有通信技术的特点，p r t n 的要求以及我们制定的具体实现方案。第 三章对p r t n 网络的协议栈做了详细的阐述，主要包括协议的设计原则，协议栈各层 的一般功能原理及我们的采取的协议的详细说明。第四章对本系统的硬件、软件以及 在这样的硬软件平台上如何实现话音、打点、数据业务做了详细的解释。第五章分析 了现有的只解决作业面的通信系统在扩展的巷道内时会出现的问题，以及这些闯题的 解决方法，主要包括扩展的意义、扩展遇到的难题、解决问题的方法。作为结束语， 第六章对本课题所作的工作进行了总结，并提出改进和完善的方向。 p r t n 通信系统的方案选择 第二章p r t n 通信系统的方案选择 p r t n 无线专用网的初级目标是实现井下作业面的无线覆盖，支持半双工话音和 低速数据的传输。本章将在介绍分组无线网a dh o e 的基础上对p r t n 系统的实现方 案做详细的讨论。 2 1 a d h o e 网络概述 a dh o c 一词来源于拉丁语，是“专用的，特定的”的意思。a dh o e 网络一般是 指一种特定的无线网络结构，强调的是多跳、自组织、无中心的概念，因此，它也被 称为多跳无线网络( m u t l i h o p w i r e l e s s n e t w o r k ) 、自组织网络( s e l f - o r g a n i z e d n e t w o r k ) 、 或无基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k ) 。由于组网快速、灵活，使用方便， 目前a dh o c 网络已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广 泛的应用，已经成为了移动通信技术向前发展的一个重要方向【2 】。 2 1 1a dh o e 网络的定义 a dh o e 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自 治系统。移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络 可以独立工作，也可以与i n t e m e t 或蜂窝无线网络连接。在这种网络中每个移动终端 兼备路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路 由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维 护工作在a dh o e 网络中，节点间的路由通常由多个网段( 跳) 组成，由于终端的 无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往通过多个中间节点的转发来实 现通信，这也是它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络 的原因。图2 1 给出了a d h o e 网络的一种典型的物理网络结构，图2 - 2 是逻辑结构， 图中a 和i 无法直接通信，但a 和i 可以通过路径a b g i 进行通信。 2 1 2a dh o e 网络的特点 a d h o e 网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设置 任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报 文转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比，它具有以下特点： 夺无中心：a dh o e 网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个 对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个 网络的运行，具有很强的抗毁性。 自组织：网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层 协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一 个独立的网络。 多跳路由：当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的 多跳转发。与固定网络的多跳不同，a dh o e 网络中的多跳路由是由普通的网 络结点完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。也就是说如 果使用多跳路由，结点的发射功率可以很低，从而达到节省电能延长电池工 作时间的目的。 东南大学硕士学位论文 夺动态拓扑：a dh o c 网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，也面议 随时开机和关机，在网络拓扑结构中，这些变化主要体现在结点和链路的数 量及分布的变化，相对于传统的有线网络来说这种网络的拓扑结构变化比较 频繁。 这些特点使得a dh o c 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂 窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。 、警 图2 - 1 典型的a dh o e 网络的物理结构 图2 - 2 典型的a dh o c 网络的逻辑结构 2 1 3a dh o e 网络的应用领域 a dh o c 网络的许多优良特性为它在民用和军事通信领域占领一席之地提供了有 利的依据。首先，网络的自组织性提供了廉价、方便并且快速部署网络的可能。其次， 多跳和中间结点的转发特性可以在不降低网络覆盖范围的条件下减少每个终端的发射 功率，从而降低了天线和相关发射接收部件的设计难度和成本，为移动终端的小型化、 低功耗提供了可能。从共享信道的角度看，a dh o c 网络降低了信号的冲突的概率，提 高了信道利用率。从用户的角度看，低功率的无线电波产生的电磁辐射较少，对用户 的身体健康的影响较小。另外，网络的鲁棒性、抗毁性也满足了某些特定应用的需求。 p r t n 通信系统的方案选择 总的来说，它的应用可以归纳为以下几类【j j ： 军事应用：军事应用是a dh o e 网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架 设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字化战场通信的首选技 术，并已成为战术互联网的核心技术。为了满足信息站和数字化战场的需要， 美军研制了大量无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场 合。 传感器网络：传感器网络是a dh o e 网络技术的另一大应用领域。对于很多应 用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。而考虑到体积和节能等因素， 传感器的发射功率不可能很大。使用a dh o e 网络实现多跳通信是非常实用的 解决方法。分散在各处的传感器组成a dh o e 网络，可以实现传感器之间和与 控制中心之间的通信。这在爆炸残留物检测等领域具有非常广阔的应用前景。 紧急和临时场合：在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后， 固定的通信网络设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设 施、卫星通信地球站以及微波接力站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作， 对于抢险救灾来说，这时就需要a dh o e 网络这种不依赖任何固定网络设施又 能快速布设的自组织网络技术。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样 无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。a dh o e 网络技术的独立组网能力 和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。 夺个人通信：个人局域网( p a n , p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是a dh o e 网络技术的 另一应用领域。不仅可用于实现p d a 、手机、手提电脑等个人电子通信设备 之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网 ( s c a t t e r n e t ) 就是一个典型的例子。 与移动通信系统的结合：a dh o e 网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利 用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区 的业务、提高小区边缘的数据速率等。 在实际应用中，a d h o e 网络除了可以单独组网实现局部的通信外，它还可以作为 末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与a dh o e 网络以外的主机进行 通信。因此，a d h o e 网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段之一。 2 1 4a dh o e 网络实现的技术难点 在看到a d h o e 网络优良特性的同时还应注意到设计和应用该网络面临的诸多困难 州。时变的链路特性和网络拓扑、节点的移动性、受限的链路带宽和节点能量、恶劣 的无线环境和安全性，以及在a d h o e 网络中如何提供o o s 都是我们必须面对的问题。 因此，必须仔细考虑节点的硬件设计( 小型化、智能化和节能化) 和协议栈的各个层 次。具体如下： 1 在物理层，要解决衰落、多径干扰，功率控制等无线通信经常遇到的问题。 2 在数据链路层，要解决多跳共享的广播信道的有效接入问题。 3 网络层需要特殊的路由协议来维护网络动态变化的拓扑信息。 4 在传输层，要解决无线环境下传输层的效率问题。 5 应用层要具有一定的自适应流量控制功能。 并且还要考虑协议栈各个层次的紧密协作，以适应网络条件和应用需求的变化。 此外，网络的自组织特性、无中心控制、易配置性和可编程性等特征都对协议的设计 提出了新的特殊的要求。也就是说，a dh o e 网络的设计需要综合考虑资源效率、能量 保护、信道接入、路由和资源分配等问题并进行合理的折衷。 东南大学硕士学位论文 2 2p r t n 的应用环境和业务特点 煤矿生产及其环境的特殊性，决定了煤矿生产对通信畅通、方便、灵活性和可靠 性的要求比地面要高，对通信的依赖性较地面要强。但也正是由于这种恶劣和复杂的 环境，使得井下通信现状远不如地面通信方便和灵活。 2 2 1 井下通信的环境特点 煤矿井下地质条件非常复杂，工作环境恶劣，矿井巷道长可达几千米，作业面长 可达数百米，作业点分散，采煤机电设备及人员流动性大。巷道和采掘工作面空间狭 窄，环境中存在大量的有爆炸危险的氧化碳、瓦斯及煤尘等空气混合气体，对于移 动通信而言，主要有如下一些不利之处： 作业面、巷道条件对电磁波传输影响较大 作业面、巷道都比较狭窄，尤其是作业面，不仅狭窄而且还崎岖不平；长度较 长，尤其是巷道长度可达数十公里且分支较多，同时分布在不同的水平面：截 面尺寸不一致，也没有什么规律，通常在几到几十个平方米内，作业面会更小， 且变化会更大；四周均为煤和岩层，粗糙不平，还有采煤支架、机电设备、钢 轨、动力线等，这是一个传播环境非常特殊和复杂的非自由空间，对电磁波的 传播特性影响非常大，对无线通信而言就是大大降低电磁波的覆盖距离。 接收点有用信号十分微弱 首先，在井下移动通信中，由于天线全部在井下，天线的发射效率很低。其次， 无线电波在井下巷道这样一个特定的非自由空间传播，决定电磁波传播速度的 煤岩层介电常数和磁导率变化很大，因而传播速度也不断的发生变化。再次， 由于巷道的粗糙表面以及不规则分布的物体，电磁波在传播过程中会频繁地发 生反射和折射，经过反射和折射的电磁波仍然要发生新的反射和折射，也就是 我们常说的多径效应现象。由通信理论知道这种现象对电磁波的传播特性构成 了严重危害，在某个接收点，接收机不仅接收到有用信号，同时也会收到多个 经过反射和折射形成的干扰信号，而这些干扰信号本身与有用信号有着相干关 系。这种相关特性严重地破坏了有用信号的传输相位、频率和幅度特性。其结 果是导致电磁波在矿井隧道中仅能自由传播数百米的重要原因，致使接收点有 用信号十分微弱，通信非常困难。 井下环境机电噪声干扰严重 由于高度机械化和自动化的采矿机电设备不断被采用，井下人为噪声的强度有 增无减，并且在采矿设备的设计制造中，对它能产生强大噪声的这个问题几乎 从未被设计者考虑过。而在移动通信中，噪声是除损耗和衰减外影响通信质量 的又一重要因素。在煤矿生产中，一般都是二十四小时连续生产，机电设备配 置量很大，功率高，启动频繁，所产生的电器噪声频谱宽，电平高，除对电磁 波信号的干扰比较大，对话音业务的影响也比较大。 有爆炸危险的一氧化碳、瓦斯及煤尘等空气混合气体。这就对通信设备有本安 的要求。 2 2 2 业务特点 p r t n 主要实现实时的话音调度业务和低速率的数据业务。话音调度业务是一种 p r t n 通信系统的方案选择 半双工业务，这种业务对实时性要求比较高；数据业务有两种，一种是来自串口的低 速数据业务、另一种是打点业务。前一种主要是用来传递一些传感器信号，由串口引 入，终端触发；后一种业务主要是用来传递一些全网的工作命令，由p 1 广r ( p u s ht ot a l k ) 和硬件开关配合产生数据源，内容由程序解释，业务由终端触发。这两种业务的特点 是面向非连接的全网广播业务。 p r t n 通信系统实现这些业务的主要目的是：发挥生产调度员的指挥作用。这就 要求调度员能随时与任何一个通信系统内的任何一部电话( 包括扩音电话、移动电话 等) 建立联系，不受被叫摘机、占线等限制( 必须具备“强插”、“强拆”等调度功能) ， 并可以随时与上级调度建立联系。由于煤炭生产主要在井下作业，存在工作环境恶劣、 不安全因素多、人员、设备之间的运输、安装、调试配合要求很高，信息传输必须及 时、准确。同时，煤矿地面的生产调度管理部门、辅助部门又必需及时进行协调，所 以p r t n 也必须既满足井下的安全、生产的需要，又要满足地面生产、指挥、管理以 及人们生活等各方面的通信需求。 2 3p r t n 的实现方案 从上一节有关井下通信环境的描述中我们看到井下通信环境对于移动通信来说， 主要有两点不利：多径效应、覆盖距离比较小。对于井下巷道内的多径效应我们采用 扩频、均衡技术来降低接收机对通信信号质量的要求【s 】；利用a dh o c 网络的多跳技术 解决电磁波在井下覆盖范围比较小的问题，从而有效的实现在井下作业面内的全网无 线覆盖。 从上一节有关a dh o c 的描述中我们看到，a dh o c 网络技术是可以解决井下全网 无线通信的，但真正实现具有所有优良特性的a dh o c 网络在现有的技术角度讲是不 现实的，也是没必要的。我们可以结合具体的应用环境和业务特点来降低a dh o c 网 络的功能要求，从而使其更便于实现。应用环境和业务特点中有如下一些可以充分利 用的器件： 1 ) 煤矿坑道作业面在几何上具有很强的线性的特点，因此所需的通信网络在拓扑 结构上也应具有线性的特征。此外，又由于煤矿坑道下的通信规模的限制，决定了网 络规模会比较小。这些特性就降低的网络组网的复杂性，对网络协议的要求也变得简 单。 2 ) 坑道作业面的通信，在施工过程中具有一定的稳定性，即一个临时构建的网络 通信架构可以在作业面的施工过程中保持不变，直到更换作业面时，才需重新构建。 因此在这样的环境下的网络拓扑结构变化频繁程度远远不及a dh o c 网络拓扑结构的变 化频繁程度。这一点可以使我们的a p 不支持移动特性，从而使网络路由比较简单。 3 ) 业务量比较低这一点可以保证数据在空中碰撞的几率比较小，从而使我们 的m a c 层相对而言比较简单。 4 ) 支持的调度话音业务这一点可以使我们才用半双工机制，降低了对信道个 数的要求。 针对上述煤矿坑道中通信环境的特点，以及所支持的业务特征，如果采用a dh o c 这样一个全移动的，且主要提供实时性要求较低的数据业务的通信网络，从实现的难 易、系统的效率以及经济成本等方面来说都不是最佳的选择。为了能够完成在煤矿坑 道或是具有类似特征的场合的通信，我们在研究和借鉴了a dh o e 网络的优点的基础上， 专门设计和开发了一种多跳的p r t n 无线分组中继网，该网络的系统结构框图如下： 东南大学硕士学位论文 占7互占一一”3。7占| ，一。 0 一- l 占 专 暑。 、 图2 3p r t n 系统结构 从上图可以看到，这种p r t n 无线分组中继网是由网络节点和移动终端构成的。 p r t n 通信网络在有通信业务需求的场合临时构建，承载的主要业务是全网范围内的实 时话音广播，即一个拿着移动终端的人说话时，全网内的其它拿着移动终端的人都要 能昕到。在带宽允许时，本系统还承载低速数据业务( 移动终端和网络节点上都有 r s 2 3 2 串行通信接口，可以通过它和有线系统实现互连，进行数据传输) 。与a dh o c 网络不同的是，这种分组无线自组织网络不是全平衡的结构，网络节点和移动终端在 网络中分别执行不同的任务( 网络节点之间的地位是一样的) 。此外，这种网络也不像 a dh o c 网络那样是始终处于变化的状态，网络中的网络节点在网络构建完成后直到网 络拆除基本处于固定的位置。 网络节点构成了网络的基本架构，主要负责全网路由的建立和维护，此外还负责 无线m a c 接入协调、链路的控制以及转发移动终端的业务数据等。在建立网络时，首 先要将各个网络节点摆放在合适的位置，让网络的覆盖范围达到最大并要保证各网络 节点之间的距离都在各自的信号范围内。经过一段时间网络构建完成并稳定后，网络 节点就处于网络构建完成时的位置直到通信任务完成拆除网络。而手持移动终端相对 于网络节点来说是处于移动状态的，它提供人机接口，以及向网络提交用户业务的申 请、发送、接收和结束业务等应用功能。移动终端如果没有业务请求，则会处于接收 的状态，随时准备接收网络节点转发来的数据或是网络节点发出的一些控制信息：如 果移动终端有业务请求，则先要选定网络中的一个网络节点并向其申请链路以获得整 条链路的使用权，收到申请的网络节点根据路由表来建立链路，链路建立后通知移动 终端允许其发送业务数据，移动终端得到网络节点的接入确认后以时分突发的方式发 送业务数据。该网络节点收到移动终端的业务数据后，根据它所保有的路由表向下一 个网络节点也以时分突发的方式转发业务数据，后面的节点收到转发数据后继续向下 转发，直到业务数据完成在全网的广播。在具有线性拓扑结构的应用场合，p r t n 可以 提供全网范围内的实时话音广播业务，同时能提供更大的覆盖范围，因而本系统能够 更好的发挥作用。 该通信系统具有如下一些特点： 夺将自组织网络的思想引入本通信网络，网络由网络节点实行分布式控制，网 络构建简单、快速、灵活，抗毁性能好，适用于变化的工作环境，通过多跳 的结构实现全网范围内的移动通信。 1 0 丫io， p r r n 通信系统的方案选择 本通信系统在具有线性结构的应用场合能够发挥最大效能。 网络拓扑结构在通信过程中能够保持基本稳定，直到通信结束拆除网络。 网络主要提供全网范围内的实时话音广播业务，同时也支持低速数据业务。 网络的规模受到限制，维持在比较小的规模，移动终端的移动性也不是很强。 网络节点和移动终端在硬件组成上基本相同，软件上对等，任何一个终端都 可以切换到作为中继的工作模式，任何一个中继都可以切换成终端工作模式。 采用直接序列扩频技术。实现高抗干扰、抗多径无线通信。 虽然本通信系统主要是着眼于煤矿坑道的作业面通信而设计的，但是由于本系统 具有自组织特性、使用成本低、组网简单灵活、抗毁性能好、抗干扰能力强以及良好 的适应能力等特点，因此在民用甚至军用等许多常规移动通信系统无法完成通信任务 的领域都有很广泛的应用前景。下面列出了本通信系统可以应用的场合。 1 ) 煤矿坑道等大噪声环境的通信 本系统体积小，便于携带，采用直接序列扩频技术，抗干扰性很好，能够在像矿 井坑道这样的高噪声环境下建立覆盖作业面区域的通信网络，满足煤矿坑道以及各类 井下区域无线移动通信应用的需要。 2 ) 紧急服务和灾难恢复 在自然灾害或其它各种原因导致网络基础设施出现故障或无法使用时，快速地建立 或恢复通信是非常重要的。借助于本系统，可以快速地建立临时网络，延伸网络基础 设施。从而为营救赢得时间，减少灾难所带来的危害。 3 ) 不便于铺设通信设旌或是铺设成本很高的场合 高山或边远地区等不便于铺设通信基础设施或者铺设通信基础设施成本很高，可 以利用本系统组建成本很低的通信网络。 4 ) 交通线上 在交通线上等这些具有线性结构的应用场合，本通信同样可以很好的完成通信任 务。 5 l 军用通信 在现代化的战场上，由于没有基站等基础设施可用，装备了移动通信装置的军事 人员、军事车辆以及各种军事设备之间可以借助于本系统进行信息交换，以协作完成 作战任务。 p r t n 通信系统的协议栈 第三章p r t n 通信系统的协议栈 上一章对p r t n 通信系统实现方案的选择做了整体上的论述，这一章将就本通信 系统的协议体系结构以及各层的具体协议作具体的介绍。在介绍i s o o s i 模型的基础 上，讨论p r 3 1 q 的协议设计原则及协议模型，最后对系统p r t n 的协议模型及各层协 议的算法作一一说明。 3 1i s o o s l 分层通信基本概念 所谓通信协议就是通信的双方为有效地交换数据信息所建立的一些规约，用以控 制和监督信息在通信线路上的传输和系统间信息交换。每一种通信系统，比如蜂窝网 或是i n t e r n e t 网等，它们都有一套完整的通信协议来支撑整个系统实现完整的通信功 能。也就是说只有有了这些协议，才能使通信系统的硬件架构高效的运行，才能使通 信系统之间或是通信系统内部顺利的完成信息的交换和传输。为了使协议的实现比较 容易和可重载，人们引入了分层设计的思想，比较有代表性的是有i s 0 的o s i 删模型， 虽然0 s i 模型是针对计算机网络设计的，但对其它通信网也完全适用，具有一定的普 遍意义。我们的p r t n 通信系统也借鉴0 s i 模型分层通信的思想，接下来我们介绍0 8 i 模型，重点介绍0 s i 的分层原则和对等层通信的思想，最后用原语的形式对对等层通 信的实现方式给予说明。 3 1 1i s o o s i 模型 随着通信技术的不断发展，通信功能的不断增强，通信软件的开发工作变得越来 越复杂，困难也越来越大，尤其是在计算机通信领域。许多计算机制造商为了解决计 算机之间的通信问题，纷纷组织力量开发自己的通信网络系统，例如i b m 公司从6 0 年代后期开始开发了它的系统网络体系结构( s n a ) ，并于1 9 7 4 年宣布了s n 及其产品， 同时别的计算机厂商也在发展它们自己的通信体系结构，例如，数字设备公司( d e c ) 的d n a 和宝来( b u r r o u g h ) 公司的8 n a 等等。各种通信体系结构的发展增强了系统成员 之间的通信能力，但也同时产生了不同制造厂家之间通信的障碍。因此迫切需要制定 全世界统一的网络体系结构。 i s 0 o s i 模型就是在这样背景的条件下产生的伽，该模型于1 9 8 3 年5 月被批准为 国际标准，它由7 个功能层组成：物理层、数据链路层、网络层、运送层、会话层、 表示层、应用层。图3 - 1 表示两个通信实体通过交换网络的互相连接和它们对应的0 s i 模型。 0 s i 参考模型分层的原则是： 1 按功能分层，将类似的功能集中到同一层，不同的功能( 功能的执行过程或所 涉及的实现技术有明显的不同) 设立不同的层。 2 确定层间边界时应使层间的交互作用最少。 3 在过去已取得成功的点上选择层次的边界。 4 在有利于接口标准化的地方设置层次的边界。 5 在某一层次中的功能发生变化时应不影响其它层的功能。 6 在需要不同的通信服务的地方，可以在层中设置子层。 7 每一层只与它上面和下面的相邻层有边晃。该原则也适用于进一步细分的子 层。 东南大学碗士学位论文 8 在不需要某种通信服务的地方允许越