基于协作通信的矿井多信息流无线传输关键技术研究

Signal attenuation caused by the environmental conditions of the curved branch of the underground mine tunnel, loss media will greatly reduce the performance of the wireless transmission. Cooperative communication technology can expand the antennas of the other nodes to effectively improve gain and spatial diversity of wireless transmission, keeping the advantages of multi-hop and multiple antenna. It can overcome the bottleneck problem of wireless communications for mine safety in production and post-disaster rescue. .Considering the application requirements on integrated transmission of various types of business information flow, this project focuses on the multi-stream multi-objective optimization transmission problems based on cooperative communication by constructing virtual MIMO (multiple inputs and multiple outputs) cooperative transmission model among nodes according to the concept of information flow. It will meet the transmission requirements of quality of service for the underground multiple types of business information flow..This research includes analysis and model of transmission characteristic, audio flow cooperative transmission with tradeoff between delay and bandwidth, video flow cooperative transmission and schedule with rate optimization, real-time cooperative transmission of scalar quantity flow, as well as wireless transmission test beds for underground complex environment. Research on these issues will further improve the performance of wireless networks on the different types of information flow and resolve key technical issues of wireless transmission in the underground complex and changing environment. It can establish the theoretical foundation of the mining information transmission technology and technological foundation of safety warning, monitoring of major projects as well as disaster prevention and mitigation.

矿山井下巷道弯曲分支、有耗媒质等环境条件造成的信号衰退效应会极大地降低无线传输性能。协作通信技术通过拓展其他节点的天线可有效提高无线传输增益与空间复用性，兼有多跳自组网、无线中继和多天线的优势，能够克服矿山安全生产及灾后救援无线通信的瓶颈问题。本项目针对井下多种类型业务信息流综合传输的要求，从流的角度出发，以满足井下多种类型业务信息流的传输服务质量要求为目标，构建多节点间的协作传输模式，研究基于协作通信的多流多目标优化传输问题。包括矿山复杂环境下协作传输特性分析与建模研究、能量有效的标量信息实时协作收集研究、延迟带宽折衷的音频协作传输研究、速率优化的视频流协作传输研究、延迟优化的多流协作传输调度研究及矿山井下复杂环境的无线传输验证系统等。通过对这些问题的研究，解决井下复杂多变环境下无线传输关键技术问题，奠定矿山信息传输技术的理论基础和重大工程安全预警技术基础,对数字化矿山建设具有重要意义。

依托国家自然基金面上项目“基于协作通信的矿井多信息流无线传输关键技术研究”，针对矿山井下安全生产、灾害预警、应急救援等应用，面向矿山复杂动态环境，克服无线信号衰退效应，结合不同类型信息流传输需求研究了协作优化方法与协议，解决了矿山复杂环境信道建模及井下协作建模优化方法、面向多信息流的井下协作传输优化方法等关键技术问题。课题主要工作总结如下：1）建立了矿山复杂环境中考虑巷道壁粗糙程度的多波模信道模型，推导了矿山巷道/隧道单中继/多中继协作场景中无线协作容量及中断概率等性能，并通过中继选择、功率分配、模式选择等方式对协作系统进行性能优化。2）针对矿山井下多信息流传输需求，提出多信息流协作传输优化方法；针对矿山音/视频传输中的频谱受限问题，提出集中式/分布式无线带内全双工MAC机制，提高矿山频谱资源利用率；针对矿山井下无线视频多跳传输中时延、抖动等问题，提出时延容忍的无线多跳网络路由协议、多接口多信道AODV路由协议。针对能量受限的无线传感应用，提出矿山复杂环境无线传感网二重覆盖节点部署方法、分布式非均匀分簇算法及基于模糊逻辑的能量优化路由算法； 3）搭建了矿山复杂环境无线传输验证系统，通过在该平台上对课题中所提出的理论算法/协议进行了硬件仿真，验证了课题所取得的理论成果的有效性。本课题所取得研究成果可为矿山井下低延迟、高可靠、高速率无线通信平台的构建奠定理论与技术基础。.项目组成员在国内外学术期刊和会议上发表高水平论文30篇，其中SCI检索14篇，EI检索10篇，出版专著1部，授权发明专利3项，申请发明专利4项。培养博士研究生6人，硕士研究生13人。本课题研究作为部分创新内容获2016年江苏省科技进步二等奖1项，教育部2015年科技进步二等奖1项。完成了预期目标。.通过该课题的研究，解决了井下复杂多变环境下无线传输关键技术问题，奠定了矿山信息传输技术的理论基础和重大工程安全预警技术基础，对数字化矿山建设具有重要意义。