井下复杂环境中无线通信与组网关键技术的研究

在井下复杂环境中实现可靠的通信和组网是复杂环境下作业安全监测、远程控制和应急救援的基础，是地下无人采矿和数字化矿山研究的核心内容之一。.建立存在煤岩粉尘有耗媒质，各类重型机械设备工作情况下的井下复杂环境电磁波传播模型，以及电磁波在不同介质内和介质间的传播损耗模型。从而建立复杂环境下无线通信的信道模型，给出地下无线通信链路路径损失预测方法。本课题将研究有效解决井下复杂物理场环境中的无线通信与组网关键技术问题的方法，研制矿井无线地下传感器网络通信平台，建立煤矿无人开采信息传输试验环境、满足煤矿信息化建设以及井下灾害抢险救援的需求。对煤矿传感和安全监测，地震，农业以及地下环境监测系统的研究具有重要意义。

在井下复杂环境中实现可靠的通信和组网是复杂环境下作业安全监测、远程控制和应急救援的基础。课题首先研究了复杂环境下电磁波传播模型和无线信道模型：把巷道壁粗糙的影响模拟为具有损耗的阻抗的级联，结合实际矿井环境建立了阻抗级联模型，仿真分析了粗糙度等参数对传播特性的影响。提出将确定性射线反射模型与频域AR统计模型相结合建立矿井超宽带多径信道AR模型的方法。采用独立的角度脉冲响应建立基于S-V模型的煤矿巷道信道模型，给出了频带的划分方式和信道的改造办法等。提出构建基于多频带正交频分复用（MB-OFDM）技术的矿井巷道超宽带无线通信系统。从研究井下巷道电磁波信号强度空间分布的特性出发，分别从距离和频率的角度确定电磁波信号周期性的规律，建立了距离和频率多维定位函数。.其次，课题研究了相关网络算法，实现有效覆盖和连通性保持控制及快速自组网重构。基于井下巷道的结构特点，以优化节点能耗，最大化网络生存时间为目标，提出了长带状无线传感器网络的能量优化路由算法，以及面向煤矿应用的分簇无线传感器网络链式拓扑结构（CBCT），基于连通度和覆盖度的比较分析，证明了链式拓扑比线型拓扑结构在井下应用的优势。针对无线传感器网络中节点能量有限的特征，面向受限空间区域应用提出了基于权值的能量有效分簇路由协议，达到延长网络生存时间的目的；提出了一种能量均衡的无线传感器网络蚁群优化路由协议EAntWSN。针对无线传感器网络中链路的非对称性，给出在有向图上构建传输时延和能量消耗均衡的强连通支配集的强连通支配树算法(SCDT)，构造联合约束的强连通支配集，形成时延和能耗均衡的虚拟骨干。.研制矿井自组织无线传感器网络的平台：设计开发了兼容WSN和IEEE802.11的无线节点与网关。提出基于802.11n的和OLSR路由协议的无线多跳信息传输策略。针对期望传输计数（ETX）和期望传输时间（ETT）没有考虑到802.11 MAC层的指数回退策略，不能准确评估数据包的平均传输时间的问题，提出基于可用传输时间(ATT)的路由度量机制，在Linux平台上对OLSR协议进行扩展实现。.本课题的研究对煤矿传感和安全监测具有重要意义。获教育部、中国煤炭工业科技进步二等奖各1项,出版专著1部,发表论文26篇，其中SCI/EI论文15篇，申请发明专利2项，培养博士研究生1名，硕士研究生8人，在读博士研究生2名。