一种矿井无线中继应急通信系统

摘要

本发明公开了一种矿井无线中继应急通信系统。系统包括无线中继站、冗余基站、无线终端节点；系统具有多射频全双工收发、频分信道巷道空间复用、链路控制与数据传输分离的链路结构，可通过光纤/总线交换机接入井下的以太环网，与地面有线通信系统相连；系统采用高效的路由协议对数据进行中继传输，并通过链路断点恢复协议进行无线/有线链路断点的恢复，在有线链路发生中断时，断点处的无线中继站将以太环网中的语音数据作为本机数据进行无线中继转发。在煤矿井下发生灾变后，本发明的系统能够可靠的为井下遇险人员提供无线应急通信服务，并解决由收发切换、信道复用、信令与数据混合传输带来的多级中继时延、带宽损失及系统稳定性等问题。

权利要求

1.一种矿井无线中继应急通信系统，所述系统包括无线中继站、冗余基站、无线终端节点；无线中继站采用多射频全双工收发、频分信道巷道空间复用、链路控制与数据传输分离的无线链路结构；冗余基站挂载于前一级无线中继站，无线中继站和冗余基站的路由协议采用数据透传方式；所述系统接入地面现有的矿井通信设备，并与监控终端相连，通过光纤/总线交换机接入井下的以太环网，构成以太环网有线通信链路；所述无线中继站采用多个无线射频单元，将中继链路分解为多个一对一子链，通过频分信道巷道空间复用，将中继级数与频分信道数量解耦，链路控制与数据传输信道分离；所述系统的路由协议由分支巷道处的无线中继站根据路由表进行数据交换，其余无线中继站仅解析数据包头来接收本机数据，非本机数据直接按巷道延伸方向进行透传式转发；所述系统采用冗余基站链路断点恢复协议、无线终端桥接链路断点恢复协议、本地接入协同链路断点恢复协议进行链路断点恢复，在有线链路发生中断时，有线链路断点处的无线中继站与冗余基站，将以太环网中的语音数据通过光纤/总线交换机接入中继站，并将语音数据作为本机数据进行无线中继转发。

2.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述的链路控制与数据传输分离方法包括：无线中继站采用双工器及频带滤波器，将中继链路划分为两个独立的频带CHA/CHB，进行异频全双工收发；所述频带CHA/CHB内划分有多个子信道CHA/CHB‑0～CHA/CHB‑N，N>3，子信道间设置保护带宽，通过无线电收发机的中频滤波器对子信道进行分离；所述子信道包括链路控制专用信道和中继/终端数据传输信道；所述中继站具备不少于

6个的独立无线电收发机，在频带CHA/CHB内各一个用于传输链路控制信令，其他用于收/发前后级节点的中继/终端数据。

3.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述中继链路的频分信道巷道空间复用方式包括：按无线中继站在巷道中的物理排列顺序，以CHB‑1、3发，CHA‑

1、3收；CHA‑1、2发，CHB‑1、2收；CHB‑2、3发，CHA‑2、3收；CHA‑1、3发，CHB‑1、3收；CHB‑1、2发，CHA‑1、2收；CHA‑2、3发，CHB‑2、3收的方式进行频循环分配；在分支巷道处的无线中继站，依据分支巷道数量分配新的频分子信道，不同分支巷道处的无线中继站，新分配的子信道根据空间关系进行复用；在各中继站链接的无线终端节点数量固定时，中继级数与系统所需的频分子信道数量解耦。

4.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述数据传输的信道在各无线中继站中设置不少于4个宽带无线电收发机，分别用于CHA/CHB频段内前后级中继/终端数据的收/发，按信道巷道空间复用方式，对中继/终端的无线收发信道进行接入，将中继链路解耦为独立子链；在信道情况良好时，各子链按照无线电收发机的最大数据收发速率，根据路由协议，进行连续的数据收发，由中继站内部的数字逻辑单元，进行并行的数据流交换；相邻中继站收发控制及数据的传输相互独立。

5.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述链路控制的专用信道在各中继站中设置两个窄带高灵敏度的无线电收发机，采用分时接入方式；信道质量良好时，所述链路控制专用信道传输组网与路由维护相关信令；在信道质量不足以满足数据传输链路的信息带宽时，仅将链路控制专用信道对应的无线电收发机接入射频链路，将其复用为数据传输链路，传输窄带字符及重要数据信息。

6.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述系统沿矿井巷道的延伸方向，将链路路由分为上/下行结构；所述冗余基站挂载于前一级无线中继站，无线中继站和冗余基站的路由协议包括：在链路正常时，冗余基站以终端模式挂载于前一级无线中继站上，不参与中继链路数据传输；系统中的信息源无线中继站根据存储器中的路由表，明确目标无线中继站相对于本机的上/下行位置，在数据包头附上目标无线中继站的设备号后，直接向目标传输路径所在方向的子链进行数据发送；未处于分支巷道口的各级无线中继站对数据包头的设备号进行滑动窗口过滤，非本机接收的数据包，直接透传转发给下一级无线中继站；在数据包转发至分支巷道口处无线中继站时，由其根据路由表选择对应巷道方向后进行转发；目标无线中继站在转发数据流时，滑动检索到数据包头为本机设备号时，进行完整的数据包接收和校验，并将目标数据包从中继数据流中摘取下来，释放数据流；在进行数据包校验后，向前一级无线中继站反馈ACK信令，完成数据收发。

7.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述冗余基站链路断点恢复协议包括：在无线链路非连续性节点失效时，临近无线中继站将对失效节点进行原工作状态校验，若失效节点为以终端模式挂载于前级无线中继站的冗余基站，无线中继站继续进行正常的中继数据传输；若失效节点为无线中继站，则挂载于该失效无线中继站上的冗余基站立即启动工作，直接与失效的无线中继站进行功能替换，冗余基站物理层收发频率和信道选择与原无线中继站保持一致，直接转接原无线中继站的数据流，并向链路的源节点发送路由维护信令，报备失效基站信息，完成路由维护。

8.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述无线终端桥接链路断点恢复协议包括：在无线链路发生多个连续节点失效时，由单个或多个移动终端节点桥接链路断点；处于链路断点处的无线终端节点，将向链路断点区域内的无线中继站发送组网请求信令，若成功与处于断点区域内的中继站握手链接，则挂载无线终端节点的前一级无线中继站将向其发送临时中继信令，由该终端节点转发主链路的中继数据，完成单级终端的直接桥接恢复；当单个移动终端节点在一定时间内无法直接与原有中继链路建立链接时，处于链路断点处的终端节点向临近的终端节点发送组网请求信令；处于链路中断区域中的各终端节点在收到上述组网请求信令后与其进行组网握手链接，并尝试重连挂载该终端节点的原无线中继站，若无法进行链接，将转发该信令，继续进行组网请求；若可与断点区域内的无线中继站进行有效链接，将由位于链路断点下行方向的终端节点，向链路上行方向的终端节点进行信令回传，直至链路上行方向断点处的无线中继站；该无线中继站根据回传的信息，向与其链接的终端节点发送临时中继信令，各个终端节点根据该信令进行双向数据透传转发，恢复通信断点区域的数据传输。

9.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述无线终端桥接链路断点恢复协议包括：当多级终端节点仍无法恢复原有链路时，处于链路断点附近且可移动的无线终端节点，通过人工移动或设备自主移动的方式靠近链路断点所在区域，各可移动的无线终端节点首先通过查询全局路由表，根据所链接的无线中继站路由信息，确定所在巷道区段，向携带人员或移动装置提供移动方向导航信息；根据所述可移动的无线终端节点与所链接的无线中继站的信号强度RSSI或到达时间TOA，预估其所在巷道区段的基本位置，向携带人员或移动装置提供移动距离导航信息；在无线终端节点移动过程中进行实时路由发现，在两个或多个可移动的无线终端节通过路由发现重组断点链接时，根据路由协议，通过终端节点对的数据透传，完成通信断点的桥接恢复。

10.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述以太环网有线通信链路中，无线中继站作为终端设备，通过光纤/总线交换机接入井下的以太环网中，各无线中继站的IP由光纤/总线交换机进行分配；链路中各节点在进行无线中继数据传输的同时，通过总线接口，将本地产生的收发数据，发送至光纤/总线交换机，经数据流IP封装后通过以太环网进行上行传输；光纤/总线交换机将以太环网中的有效数据，根据设备IP地址进行数据分拣与解包，将处理好的数据通过总线回发至对应的各节点，实现系统与以太环网的双向数据交换。

11.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述本地接入协同链路断点恢复协议包括：在有线通信链路中，位于断点处的光纤/总线交换机检测到以太环网传输超时，并将超时数据转发至有线链路断点处的无线中继站，所述无线中继站将超时数据作为本机数据进行中继转发，各级无线中继站在接收到转发数据后，将按照原路由信息进行本地有线传输请求，若未发生有线传输超时，则不再进行无线中继转发；若本地传输请求仍超时，则继续进行无线中继转发，直至将超时数据送达目标节点。

12.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：本地接入协同链路断点恢复协议包括：当无线链路发生中断时，位于断点处的无线中继站将检测到无线中继数据传输超时，此时无线链路断点处的无线中继站将不区分是否为本机数据，将中继链路的收发数据统一接入至光纤/总线交换机，交换机根据数据包中的设备地址进行IP封装，由以太环网进行有线链路的数据传输；位于无线链路断点区域内的节点，由接入的光纤/总线交换机，按照数据包的IP地址进行分拣解包，分发给对应无线中继站，恢复原有的无线数据链路传输。

13.如权利要求1所述的矿井无线中继应急通信系统，其特征在于：所述语音数据的接收采用数据池对语音数据流进行连续的接收缓冲；各节点在收到来自有线/无线链路发来的语音数据包时，解析后不立即进行播放，将其存储于播放缓冲区中，采用固定的延迟时间进行滞后播放，形成待播放的数据池；缓冲区中的数据不区分其有线/无线链路来源，按语音数据包的采集顺序标签进行排序，在任意链路的语音数据流发生滞后、误码、丢包时，通过缓冲区的对应链路数据进行弥补。

说明书

一种矿井无线中继应急通信系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种矿井无线中继应急通信系统，其具体涉及矿井应急通信、无线多跳中继、无线链路结构、通信协议等领域。

背景技术

[0002] 矿井应急通信系统是提高救援效率、减少人员伤亡的重要工具，在煤矿事故应急救援和安全生产中发挥着重要作用。在煤矿井下发生事故后，矿井应急通信系统仍能为井
下遇险人员提供与地面调度室通信，是救灾指挥部了解井下灾情、被困人员位置和状况，指导被困人员自救的关键装备。矿井透地通信系统可穿透煤岩，实现井下与地面通信。但矿井透地通信系统工作频率低、传输速率低。为满足双向通信，需要在井下设置百余米的发射线圈，实施成本高，且容易受矿井事故灾害的影响。

[0003] 目前，煤矿没有专用矿井应急通信系统，均采用矿用有线调度通信系统兼做矿井应急通信系统。矿用有线调度通信系统不需要井下供电，只要电缆不断、电话不坏，就可正常工作，因此，可靠性较高。但当事故造成矿用有线调度通信系统断缆时，系统将不能为井下遇险人员提供与地面的通信。因此，需要研究无通信电缆和光缆的矿井无线应急通信系
统。MESH为最广泛的自组网多跳通信协议，但MESH通信系统用作多跳无线通信最突出的问
题是中继跳数受限，其有效中继跳数受每级中继的带宽损失影响，MESH等常用的自组网和
无线中继技术，中继跳数少，难以满足矿井应急通信数十跳的要求。

[0004] 针对煤矿井下无线通信系统存在抗灾变能力差、传输信号衰减大、无线发射功率受限，传输距离近，难以满足10km传输距离要求，以及矿井无线信号传输时延高、中继跳数受每级中继的带宽损失影响大等问题，本发明提出了一种多级无线中继的矿井应急通信系
统，使系统能够满足灾变环境中应急通信的需要，大幅度提高矿井灾害应急救援的能力。

发明内容

[0005] 本发明提供的一种矿井无线中继应急通信系统，在于解决现有无线中继通信由收发切换、信道复用、信令与数据混合传输带来的多级中继时延、带宽损失及系统稳定性等问题，避免无线中继站、冗余基站混合传输带来的信道干扰问题，同时简化逐级路由寻址和路由发现过程，降低数据传输时延和提高数据转发效率，减小协议对链路的开销，增强链路的抗灾变能力。本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

[0006] 本发明的一种矿井无线中继应急通信系统，系统包括无线中继站、冗余基站、无线终端节点；无线中继站采用多射频全双工收发、频分信道巷道空间复用、链路控制与数据传输分离的无线链路结构；冗余基站挂载于前一级无线中继站，无线中继站和冗余基站的路由协议采用数据透传方式；所述系统接入地面现有的矿井通信设备，并与监控终端相连，通过光纤/总线交换机接入井下的以太环网，构成以太环网有线通信链路；所述无线中继站采用多个无线射频单元，将中继链路分解为多个一对一子链，通过频分信道巷道空间复用，将中继级数与频分信道数量解耦，链路控制与数据传输信道分离；所述系统的路由协议由分
支巷道处的无线中继站根据路由表进行数据交换，其余无线中继站仅解析数据包头来接收
本机数据，非本机数据直接按巷道延伸方向进行透传式转发；所述系统采用冗余基站、无线终端桥接、本地接入协同的链路断点恢复协议进行链路断点恢复，在有线链路发生中断时，有线链路断点处的无线中继站与冗余基站，将以太环网中的语音数据通过光纤/总线交换
机接入中继站，并将语音数据作为本机数据进行无线中继转发。

[0007] 进一步的，所述的链路控制与数据传输分离方法包括：无线中继站采用双工器及频带滤波器，将中继链路划分为两个独立的频带CHA/CHB，进行异频全双工收发；所述频带CHA/CHB内划分有多个子信道CHA/B‑0～CHA/B‑N(N>3)，子信道间设置保护带宽，通过无线电收发机的中频滤波器对子信道进行分离；所述子信道包括链路控制专用信道和中继/终
端数据传输信道；所述中继站具备不少于6个的独立无线电收发机，在频带CHA/CHB内各一
个用于传输链路控制信令，其他用于收/发前后级节点的中继/终端数据。

[0008] 进一步的，所述的中继链路的频分信道巷道空间复用方式包括：按无线中继站在巷道中的物理排列顺序，以CHB‑1、3发，CHA‑1、3收；CHA‑1、2发，CHB‑1、2收；CHB‑2、3发，CHA‑
2、3收；CHA‑1、3发，CHB‑1、3收；CHB‑1、2发，CHA‑1、2收；CHA‑2、3发，CHB‑2、3收的方式进行频循环分配；在分支巷道处的中继站，依据分支巷道数量分配新的频分子信道，不同分支巷道处的中继站，新分配的子信道根据空间关系进行复用；在各中继站链接的无线终端节点数
量固定时，中继级数与系统所需的频分子信道数量解耦。

[0009] 进一步的，所述的数据传输信道在各中继站中设置不少于4个宽带无线电收发机，分别用于CHA/CHB频段内前后级中继/终端数据的收/发，按信道巷道空间复用方式，对中
继/终端的无线收发信道进行接入，将中继链路解耦为独立子链；在信道情况良好时，各子链按照无线电收发机的最大数据收发速率，根据路由协议，进行连续的数据收发，由中继站内部的数字逻辑单元，进行并行的数据流交换；相邻中继站收发控制及数据的传输相互独
立。

[0010] 进一步的，所述的链路控制专用信道在各中继站中设置两个窄带高灵敏度的无线电收发机，采用分时接入方式；信道质量良好时，所述链路控制专用信道传输组网与路由维护相关信令；在信道质量不足以满足数据传输链路的信息带宽时，仅将链路控制专用信道
对应的无线电收发机接入射频链路，将其复用为数据传输链路，传输窄带字符及重要数据
信息。

[0011] 进一步的，所述的系统沿矿井巷道的延伸方向，将链路路由分为上/下行结构；所述冗余基站挂载于前一级无线中继站，无线中继站和冗余基站的路由协议包括：在链路正
常时，冗余基站以终端模式挂载于前一级无线中继站上，不参与中继链路数据传输；系统中的信息源无线中继站根据存储器中的路由表，明确目标无线中继站相对于本机的上/下行
位置，在数据包头附上目标无线中继站的设备号后，直接向目标传输路径所在方向的子链
进行数据发送；未处于分支巷道口的各级无线中继站对数据包头的设备号进行滑动窗口过
滤，非本机接收的数据包，直接透传转发给下一级无线中继站；在数据包转发至分支巷道口处无线中继站时，由其根据路由表选择对应巷道方向后进行转发；目标无线中继站在转发
数据流时，滑动检索到数据包头为本机设备号时，进行完整的数据包接收和校验，并将目标数据包从中继数据流中摘取下来，释放数据流；在进行数据包校验后，向前一级无线中继站反馈ACK信令，完成数据收发。

[0012] 进一步的，所述的冗余基站链路断点恢复协议包括：在无线链路非连续性节点失效时，临近无线中继站将对失效节点进行原工作状态校验，若失效节点为以终端模式挂载
于前级无线中继站的冗余基站，无线中继站继续进行正常的中继数据传输；若失效节点为
无线中继站，则挂载于该失效无线中继站上的冗余基站立即启动工作，直接与失效的无线
中继站进行功能替换，冗余基站物理层收发频率和信道选择与原无线中继站保持一致，直
接转接原无线中继站的数据流，并向链路的源节点发送路由维护信令，报备失效基站信息，完成路由维护。

[0013] 进一步的，所述无线终端桥接链路断点恢复协议包括：在无线链路发生多个连续节点失效时，由单个或多个移动终端节点桥接链路断点；处于链路断点处的无线终端节点，将向链路断点区域内的无线中继站发送组网请求信令，若成功与处于断点区域内的中继站
握手链接，则挂载无线终端节点的前一级无线中继站将向其发送临时中继信令，由该终端
节点转发主链路的中继数据，完成单级终端的直接桥接恢复；当单个移动终端节点在一定
时间内无法直接与原有中继链路建立链接时，处于链路断点处的终端节点向临近的终端节
点发送组网请求信令；处于链路中断区域中的各终端节点在收到上述组网请求信令后与其
进行组网握手链接，并尝试重连挂载该终端节点的原无线中继站，若无法进行链接，将转发该信令，继续进行组网请求；若可与断点区域内的无线中继站进行有效链接，将由位于链路断点下行方向的终端节点，向链路上行方向的终端节点进行信令回传，直至链路上行方向
断点处的无线中继站；该无线中继站根据回传的信息，向与其链接的终端节点发送临时中
继信令，各个终端节点根据该信令进行双向数据透传转发，恢复通信断点区域的数据传输。

[0014] 进一步的，所述无线终端桥接链路断点恢复协议包括：当多级终端节点仍无法恢复原有链路时，处于链路断点附近且可移动的无线终端节点，通过人工移动或设备自主移
动的方式靠近链路断点所在区域，各可移动的无线终端节点首先通过查询全局路由表，根
据所链接的无线中继站路由信息，确定所在巷道区段，向携带人员或移动装置提供移动方
向导航信息；根据所述可移动的无线终端节点与所链接的无线中继站的信号强度RSSI或到
达时间TOA，预估其所在巷道区段的基本位置，向携带人员或移动装置提供移动距离导航信息；在无线终端节点移动过程中进行实时路由发现，在两个或多个可移动的无线终端节通
过路由发现重组断点链接时，根据路由协议，通过终端节点对的数据透传，完成通信断点的桥接恢复。

[0015] 进一步的，所述以太环网有线通信链路中，无线中继站作为终端设备，通过光纤/总线交换机接入井下的以太环网中，各无线中继站的IP由光纤/总线交换机进行分配；链路中各节点在进行无线中继数据传输的同时，通过总线接口，将本地产生的收发数据，发送至光纤/总线交换机，经数据流IP封装后通过以太环网进行上行传输；光纤/总线交换机将以
太环网中的有效数据，根据设备IP地址进行数据分拣与解包，将处理好的数据通过总线回
发至对应的各节点，实现系统与以太环网的双向数据交换。

[0016] 进一步的，所述本地接入协同链路断点恢复协议包括：在有线通信链路中，位于断点处的光纤/总线交换机检测到以太环网传输超时，并将超时数据转发至有线链路断点处的无线中继站，所述无线中继站将超时数据作为本机数据进行中继转发，各级无线中继站
在接收到转发数据后，将按照原路由信息进行本地有线传输请求，若未发生有线传输超时，则不再进行无线中继转发；若本地传输请求仍超时，则继续进行无线中继转发，直至将超时数据送达目标节点。

[0017] 进一步的，本地接入协同链路断点恢复协议包括：当无线链路发生中断时，位于断点处的无线中继站将检测到无线中继数据传输超时，此时无线链路断点处的无线中继站将不区分是否为本机数据，将中继链路的收发数据统一接入至光纤/总线交换机，交换机根据数据包中的设备地址进行IP封装，由以太环网进行有线链路的数据传输；位于无线链路断
点区域内的节点，由接入的光纤/总线交换机，按照数据包的IP地址进行分拣解包，分发给对应无线中继站，恢复原有的无线数据链路传输。

[0018] 进一步的，所述的语音数据的接收采用数据池对语音数据流进行连续的接收缓冲；各节点在收到来自有线/无线链路发来的语音数据包时，解析后不立即进行播放，将其存储于播放缓冲区中，采用固定的延迟时间进行滞后播放，形成待播放的数据池；缓冲区中的数据不区分其有线/无线链路来源，按语音数据包的采集顺序标签进行排序，在任意链路的语音数据流发生滞后、误码、丢包时，通过缓冲区的对应链路数据进行弥补。

附图说明

[0019] 图1为本发明的一种矿井无线中继应急通信系统示意图。

[0020] 图2为本发明的无线中继站结构示意图。

[0021] 图3为本发明的无线中继站频谱分配示意图。

[0022] 图4为本发明的频分信道单一巷道空间复用示意图。

[0023] 图5为本发明的频分信道分支巷道空间复用示意图。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合矿井无线中继应急通信系统及相应的附图，对本发明的具体实施方式进行清楚、完整地描述。

[0025] 所述的一种矿井无线中继应急通信系统，其系统示意图如图1所示，主要包括：

[0026] 1.无线中继站(101)，为系统的主要组成部分，预先布置于井下机电硐室中，配合巷道中保护良好的射频馈线与天线，进行多级的无线接力数据传输，为井口至工作面提供
语音及重要数据的无线应急通信服务；具备挂载冗余基站与无线终端节点、本地语音信号
收发、有线数据接入的功能。

[0027] 2.冗余基站(102)，与无线中继站设备相同，布置于两个无线中继站之间，为系统无线链路的冗余部分；在链路正常时，冗余基站以终端模式挂载于前一级无线中继站上，不参与中继链路的数据传输；在前级无线中继站失效时，挂载于其上的冗余基站立即启动工
作，直接与失效的无线中继站进行功能替换。

[0028] 3.无线终端节点(103)，设备结构与无线中继站基本一致，采用轻量化设计，可由井下人员随身携带，也可安装于井下移动设备上；在链路正常时，挂载于前一级无线中继
站，不参与中继数据转发，无线中继站根据路由协议，将分离后的终端数据发送至无线终端节点，实现语音通话的终端服务；在连续多级无线中继站及冗余基站失效时，无线终端节点根据无线终端桥接链路断点恢复协议，对断开的无线链路进行桥接恢复，并向井下人员或
移动设备提供无线电导航信息，辅助该过程的进行。

[0029] 4.总线/光纤交换机(104)，用于将无线中继站与冗余基站接入井下现有的以太环网，实现本地有线接入协同链路的链路断点恢复协议。

[0030] 5.骨干无线链路(105)，为各级无线中继站、冗余中继站、无线终端节点间信息传输的无线链路。

[0031] 6.有线光纤链路(106)，为井下现有的以太环网，以及地面通信设备的有线数据链路，各级无线中继站与冗余基站通过总线/光纤交换机接入该链路。

[0032] 7.未画出的中继站及有线/无线链路(107)，表示矿井无线中继应急通信系统从井口至工作面的服务覆盖范围。

[0033] 8.交换机(108)、服务器(109)、监控终端(110)为地面调度室中现有的通信设备，在所述矿井无线中继应急通信系统中，用于汇总井下由无线/有线传来的语音及数据信息，实现地面调度室与井下人员的语音通信，并对各级无线中继站进行监控与配置。

[0034] 所述的一种矿井无线中继应急通信系统，其无线中继站结构示意图如图2所示，主要包括：

[0035] 1.无线中继站(201)，为矿井无线中继应急通信系统的主体设备，冗余基站、无线终端节点与其基本结构基本一致，在图中用于限定无线中继站的结构范围。

[0036] 2.本地语音信号接入单元(202)，用于采集使用者发出的声音，进行编码压缩处理，形成语音数据包，并对本机接收的语音数据包，进行解压缩和播放；语音数据包由内部
485总线(206)与站内其他单元进行交换；在设备为安装于机电硐室的无线中继站或冗余基
站时，可为机电硐室内部提供就地的语音接入服务；在设备被用作无线终端节点时，提供移动端的语音接入服务。

[0037] 3.外部485总线接入单元(203)，配合井下的总线/光纤交换机(104)进行工作，将无线中继站与冗余基站接入井下现有的以太环网，用于对总线/光纤交换机双向收发的数
据，按照本地接入协同链路断点恢复协议，通过内部485总线(206)，与机内其他单元进行数据交换。

[0038] 4.电源管理单元(204)，对输入的直流电进行保护与干扰抑制，并进行电压变换与稳压限流，为设备内部的各个单元模块提供可靠的电源适配；无线中继站与冗余基站由井
下本安直流不间断电源进行供电，无线终端节点由设备内部的电池进行供电。

[0039] 5.中继数据传输总线(205)，用于CHA/CHB数据传输单元(207)、(209)间的中继数据交换，其独立于内部485总线(206)，保证中继数据的高速低时延传输。

[0040] 6.内部485总线(206)，为无线中继站内部的专用数据总线，链路控制单元(208)为该总线的控制主机，用于实现站内各单元的本机数据交换与工作模式配置。

[0041] 7.CHA数据传输单元(207)、CHB数据传输单元(209)，各具备不少于两个的宽带无线电收/发机(210)、(211)、(214)、(215)，按频分信道巷道空间复用方式，对中继/终端的收发信道进行接入，专用于CHA/CHB频段内前后级中继/终端数据的收/发，将中继链路解耦为独立子链；在信道情况良好时，各子链按照无线电收发机的最大收发速率，进行连续的数据收发；数据传输单元根据路由协议，将中继转发数据、终端接入数据与本机数据进行交换；
其中CHA/CHB频段的中继转发数据，由中继数据传输总线(205)进行交换；本机收发数据，由内部485总线(206)与站内其他模块进行交换。

[0042] 8.链路控制单元(208)，为无线中继站的核心控制单元，通过内部485总线(206)，对站内各个单元模块进行控制与本机数据交换；具备两个高灵敏度的窄带无线电收发机
(212)、(213)，分别对应CHA/CHB频段的链路控制专用信道，采用分时接入方式；信道质量良好时，传输组网与路由维护相关信令；在信道质量不足以满足数据传输链路的信息带宽时，可通过射频前端单元(228)，将数据传输单元对应的无线电收发机断开射频链路，仅将链路控制单元无线电收发机接入射频链路，此时链路控制单元将复用为中继数据传输功能，中
继转发窄带字符及重要的数据信息。

[0043] 9.射频前端单元(228)，为无线中继站的物理射频链路，由链路控制单元(208)与CHA/CHB数据传输单元(207)、(209)直接控制，主要包含：CHA/CHB射频开关组(216)、(217)，对接入的多个无线电收发机，进行收发方式与复用模式的选择；CHA/CHB射频合路器/功分
器(218)、(219)、(220)、(221)，实现射频通道的复用，将数据传输单元与链路控制单元的各无线电收发机的射频接口，转换为单独的收/发射频通道；CHA/CHB射频功率放大器与低噪
声放大器(222)、(224)、(225)、(227)，对射频信号进行的收/发方向的放大处理；链路收发开关(223)、(226)实现CHA/CHB链路的收/发模式选择；双工滤波器(229)实现基站的单天线异频全双工收发。

[0044] 所述的一种矿井无线中继应急通信系统，其无线中继站频谱分配示意图如图3所示，主要包括：

[0045] 1.中继站频谱图(301)，表述无线中继站的频谱分配原理，横轴为信号频率，纵轴表示各信道及频带滤波器/双工滤波器的频率特性。

[0046] 2.CHA频段(302)、CHB频段(303)，表明CHA/CHB链路的频段范围，由A/B频段滤波器通频带(304)决定；无线中继站的双工器及频带滤波器，将中继链路划分为两个独立的频带CHA/CHB，中继站可进行异频全双工收发；所述频带CHA/CHB内划分有多个频分子信道CHA/B‑0～CHA/B‑N(N>3)，子信道间设置有保护带宽，通过无线电收发机的中频滤波器对子信道进行分离。

[0047] 3.A/B频段链路控制专用信道CHA‑0/CHB‑0(305)，对应链路控制单元(208)的两个窄带高灵敏度的窄带无线电收发机(212)、(213)，链路中各无线中继站、冗余基站、移动终端节点分时接入该信道，传输组网与路由维护相关信令，在链路质量不佳时，复用于中继转发窄带字符等重要的数据信息。

[0048] 4.A/B频段中继/本地数据传输信道CHA‑1～CHA‑1N(N>3)(306)/CHB‑1～CHB‑1N(N>3)(307),对应CHA数据传输单元(207)、CHB数据传输单元(209)的多个宽带数据传输无线电收/发机(210)、(211)、(214)、(215)，用于CHA/CHB频段内前后级中继/终端数据的收/发。

[0049] 所述的一种矿井无线中继应急通信系统，其频分信道单一巷道空间复用示意图如图4所示，主要包括：

[0050] 1.物理位置标号为i、i+1、i+2···i+5的中继站(401‑406)依次布置于矿井巷道中,所述频分信道巷道空间复用方式，以CHB‑1、3发，CHA‑1、3收；CHA‑1、2发，CHB‑1、2收；
CHB‑2、3发，CHA‑2、3收；CHA‑1、3发，CHB‑1、3收；CHB‑1、2发，CHA‑1、2收；CHA‑2、3发，CHB‑2、3收···对各无线中继站进行循环分配；无线中继站的两频段CHA、CHB收/发间隔设置，在
被设置为发射频段内的两个频分子信道，用于向前后级中继站发送数据；在被设置为接收
频段内的两个频分子信道，用于接收来自前后级中继站的数据。

[0051] 2.所述频分信道巷道空间复用方式，利用矿井巷道无线衰减及传输受限特性，对中继站的频分子信道进行每三个站的循环复用，CHA‑1信道场强示意图(407)以CHA‑1信道为例，描述了CHA‑1信道存在干扰区域(408)、(409),在每个无线中继站的无线传输距离可覆盖前后两级中继站的情况下，各频分子信道不会相互发生干扰；在各无线中继站链接的
终端节点数量固定时，中继级数与系统所需的频分子信道数量解耦，有效解决频分信道资
源受限的问题。

[0052] 3.无线中继站与冗余基站固定安装，所述频分信道巷道空间复用方式仅需要在设备工程安装后，进行一次分配过程；在正常工作时，不改变各无线中继站的CHA、CHB频段收/发方式，及各频分子信道与前后级中继站的对应关系；不需要与前后级中继站进行时钟同
步、收发时序、信道切换的协同配合。

[0053] 所述的一种矿井无线中继应急通信系统，其频分信道分支巷道空间复用示意图如图5所示。

[0054] 1.图中表述了应用于具有两分巷道的无线中继链路结构(506)、(507)、(508)，各无线中继站(510)，其设备标号(509)的前置数字代表图中所示分支巷道编号，后置数字代
表同巷道中基站的安装位置编号。

[0055] 2.图中标号为1·i的无线中继站(502)位于巷道分支口处，其CHA/B频段中各划分有4个子信道用于中继数据传输，其中CHA/B‑4、CHA/B‑5分别用于链接两分支巷道的2·1
(504)、3·1(505)中继站，其余子信道按单一巷道空间复用方式进行划分，分别用于连接
1·i‑1(501)、1·i+1(503)中继站。

[0056] 所述的一种矿井无线中继应急通信系统，其无线终端与冗余中继站，在链路正常时的无线接入与信道分配采用如下方法：

[0057] 1.冗余中继站在正常情况下不参与中继链路传输，作为终端节点挂载与前一级中继站上。

[0058] 2.为了使终端设备的接入不对中继链路传输产生干扰，需要在中继站无线频段中设置独立于中继数据传输的子信道，用于接入终端设备。

[0059] 3.终端接入采用频分信道时分复用的方式，每个用于链接终端节点的频分子信道，可分时接入多个无线终端设备。

[0060] 4.考虑多分支巷道的情况下，各频段需要划分的子信道数量＝分支巷道最大支路数(除原有巷道前后方向外)+用于链接终端节点的频分子信道数量(含冗余中继站)+频分
信道巷道空间复用数(固定值3)+链路控制专用信道(固定值1)。

[0061] 所述的一种矿井无线中继应急通信系统，其路由地址、路由表与路由维护协议具体采用如下方法实现：

[0062] 1.系统中各个无线中继站、冗余中继站、无线终端节点具备唯一的设备号，用于区分各个独立设备，其中0号设备不存在，作为为广播地址，所有节点在收到接收方设备号为0的信令后均需要进行数据解析。

[0063] 2.无线中继站与冗余中继站具备唯一的路由地址，反应其安装于巷道中的具体位置，路由地址表述方式为：巷道编号‑物理位置编号‑设备编号，其中巷道编号及物理位置编号为0的路由地址，表明设备处于未编辑的固定基站或移动台模式，不限制其所处的巷道位置。

[0064] 3.对于用于固定于机电硐室的无线中继站与冗余基站，在生产出来后其路由地址默认为(0‑0‑设备编号)，处于未编辑的固定基站/终端模式；在完成巷道内的工程安装后需对其进行预先的静态路由分配，形成系统的全局静态路由表，该过程仅在全部基站布置好
后进行一次，各固定基站在进行静态路由分配后，将本机路由地址与全局静态路由表固化
存储，掉电不丢失信息。全局静态路由表存储格式为：基站路由地址‑所链接到的前级基站路由地址‑所链接到的前级基站上行信道RSSI‑所链接到的前级基站下行信道RSSI。

[0065] 4.对于用于固定于机电硐室的无线中继站与冗余基站，除全局静态路由表外，还具备全局/本地动态路由表；其中，本地动态路由表反应各基站所链接无线终端的情况，其存储格式为：无线终端节点的路由地址‑本机路由地址‑无线终端上行信道RSSI‑无线终端下行信道RSSI。

[0066] 5.全局动态路由表用于反应系统中全部无线终端节点的链接情况，其存储格式为：无线终端的路由地址‑所链接到的前级无线中继站路由地址‑无线终端上行信道RSSI‑无线终端下行信道RSSI；链路源节点(处于井口的第一个节点)，周期性的对链路中各个无
线中继站发起全局路由维护信令，更新各中继站的全局动态路由表；在各分支巷道中的最
后一个无线中继站收到该信令后，将本机动态路由表进行叠加回传，汇总至链路源节点中，完成系统的周期性路由维护。