基于相长干扰的煤矿井下物联网感知层时间同步机制研究

Coalmine Internet of Things provides an important support for the safety and high-efficient production of coalmine, and time synchronization of underground coalmine IoTs perception layer nodes is one of the scientific problems to be solved urgently. Aimed at the reliable and accurate synchronization requirements of perception layer nodes under the bad coalmine environment,based on the analysis of underground coalmine wireless signal transmission time delay characteristics, by introducing the confidence and distribution uncertainty factor, this project researches on the transfer delay sample acquisition based on assessment nodes,and establishes the transmission delay model by using mathematical statistics method. Based on the wireless nodes physical layer’s tolerance on multipath effect and the radio characteristics of wireless signal, explores the physics features of constructive interference of underground coalmine wireless signal transmission, discusses the forming mechanism of constructive interference under different transmission protocols. Analyzes the optimal sending node number within certain sending time interval,discusses the wide generalized forming condition for constructive interference, and clarifies the synchronous data rapid flooding mechanism based on constructive interference. Combined with the narrow and long characteristics of the coalmine laneway, analyzes the synchronization packet and clock offset estimation along with constructive interference,and explorees the progressive type time synchronization method based on tree topology. Project research achievements will play a decisive role on coalmine IoTs’ perception, interactive processing and decision of information, and will guarantee the safety of coalmine, and related research can be applied to other mine areas.

煤矿物联网为煤矿安全高效生产提供了重要支撑，煤矿井下物联网感知层节点时间同步是亟待解决的科学问题之一。针对煤矿恶劣环境下感知层节点可靠准确同步的需求，项目在分析煤矿井下无线信号传输延时特性基础上，引入置信度因子和分布不确定因子，研究基于评估节点的传输延时样本获取，采用数理统计方法建立传输延时模型；基于无线节点物理层对多径效应的容忍度和无线信号的广播特性，探索煤矿井下无线信号传输相长干扰的物理特性，研究不同传输协议下相长干扰的形成机制；分析特定发送时间间隔下的最优发送节点数，研究相长干扰形成条件的宽泛化，阐明基于相长干扰的同步分组快速洪泛机制；分析相长干扰下的同步分组和时钟偏移估计，结合煤矿井下巷道狭长特点，探索基于树状拓扑结构的递进式时间同步方法。项目的研究成果对煤矿物联网信息的感知、交互处理和决策起着决定性作用，为煤矿安全提供保障，相关研究可应用于其它矿山领域。

煤矿物联网为煤矿安全高效生产提供了重要支撑，煤矿井下物联网感知层节点时间同步是亟待解决的科学问题之一。.针对煤矿恶劣通信环境下感知层节点可靠、准确同步的需求，考虑到传输延时呈现随机分布特性，研究传输延时的获取和分布参数的估计方法，基于同步分组侦听模式获取传输延时数据，引入置信度因子和分布不确定因子实现传输延时参数估计以及延时突变点检测方法，实时评估感知层网络传输延时的分布类型和分布参数，提高时间同步对随机延时的鲁棒性；煤矿井下巷道中无线信号传输存在多径衰落特性，同步分组传输可靠性差，研究无线信号传输相长干扰的形成特性，通过发送节点数的增加来宽泛化相长干扰的实现条件，提高同步分组传输的可靠性，针对给定网络节点布置，研究层次型拓扑结构和平面式拓扑结构的生成及维护，提出一种基于反馈机制的时间同步方法和一致性时间同步方法，提高时间同步方法对网络拓扑的鲁棒性；基于所研究层次型树状拓扑模型，形成一种基于反馈机制的时间同步方法，采用联合极大似然估计法估计节点间的时钟偏移，基于负反馈思想，根据网络实际同步误差和要求值之间的差值，采用比例控制规律调整网络同步周期和占空比，在同步精度满足的情况下，增大同步周期、提高同步方法的能量有效性；基于所研究平面拓扑结构，将控制理论的一致性算法应用到煤矿井下物联网感知层时间同步中，提出一种二阶一致性时间同步算法，分别从网络邻接权重的优化设计角度和事件触发通信机制角度来提高一致性时间同步方法的能量有效性，并形成一种基于事件触发的通信机制，将节点的通信事件设置为事件触发方式，为每个节点设计一个分布式事件触发函数，仅当触发函数大于零时，节点方触发一次广播通信事件。.项目的研究成果对煤矿物联网信息的感知、交互处理和决策起着决定性作用，为煤矿安全提供保障，相关研究可应用于其它矿山领域。