基于跨网通信的矿井异构无线网络构建关键问题研究

Wireless network in coal mine plays an important role in coal mine safety production and efficient management. Existing coal mine wireless networks have heterogeneity. The traditional hardware-based heterogeneous network fusion technology can not be directly applied to the narrow closed tunnel with limited space. This project studies the heterogeneous wireless mapping method in physical layer, and on this basis, to explore related basic theory and methods of coal mine heterogeneous fusion network based on cross-technology communication. Specifically, it includes: (1) Mining the signal characteristics of heterogeneous physical layer and studying the physical layer mapping method of heterogeneous wireless nodes for direct communication across networks. (2) To build a energy-efficiency model of heterogeneous wireless node mapping for the special environment of roadway, and to study the energy efficient asymmetric node discovery method based on space-time attributes. (3) Aimed at the limited energy of heterogeneous terminals in coal mines, a method of heterogeneous dynamic cluster division for heterogeneous nodes is designed and a dynamic hybrid routing strategy with energy efficiency is established. (4) Aiming at the possible congestion problems in coal mine heterogeneous wireless networks, this paper constructs a traffic prediction model of heterogeneous nodes with cross-technology communication and studies the real-time dynamic traffic regulation strategy of heterogeneous wireless networks. The research productions of this project will provide new ideas for the fusion of heterogeneous wireless networks in coal mines and has important engineering value for practical network construction.

矿井无线网络对煤矿安全生产和高效管理具有重要作用。现有矿井无线网络存在异构性，传统基于硬件的异构网络融合技术难以直接应用于狭长封闭有限空间的巷道。本项目研究异构无线信号的物理层映射方法，在此基础上开展基于跨网通信的矿井异构无线网络构建相关基础理论和方法的研究。具体包括：(1)挖掘异构物理层信号特点，研究面向跨网直接通信的异构无线信号物理层映射方法。(2)构建面向巷道特殊环境的异构无线节点映射能效模型，研究融合时空属性的高能效非对称节点发现方法。(3)针对矿井异构终端能量受限问题，设计异构节点非均匀动态簇划分方法，建立能效均衡的动态混合路由策略。(4)针对矿井异构无线网络可能出现的拥塞问题，构建矿井异构节点跨网通信的流量预测模型，研究矿井异构无线网络的实时动态流量调节策略。本项目的研究成果将为矿井异构无线网络融合提供新的思路，并对实际构建网络有重要的工程价值。

矿井无线通信网络极大的改善了煤矿安全检测、快速救援、生产管理的效率，但针对不同应用矿井布设多个异构无线网络、且网络间无法直接通信，因此构建一个灵活可靠、高能效的矿井异构无线融合网络是确保煤矿安全生产、高效管理、及时有效的应急救援的必要手段。本课题针对煤矿封闭狭长有限空间的复杂环境，以构建能效均衡、稳定传输异构无线融合网络为目标，研究基于跨网通信实现矿井异构无线融合通信组网中的关键问题，以保障煤矿的安全生产、高效管理和灾后及时救援。代表性成果包括：1）针对矿井特殊环境以及现有跨网通信方案的问题，提出一种基于循环前缀前的编码拆分优化方案，使现有跨网通信方案更加适合矿井特殊环境，并针对矿井无线节点的移动性，提出的一种移动状态下的双向跨网通信方案，为矿井异构无线网络融合提供数据传输基础；2）以最大化系统吞吐量和最大化设备能量效率为优化目标，提出一种基于延迟接受算法的能耗优化方案，实现快速稳定的异构无线节点的接入，并针对参与者选择的不公平性问题，提出一种基于储备系统理论的动态资源分配方案，提高无线节点接入的公平性，均衡网络负载，为未来矿井异构无线网络融合过程的资源配置提供理论基础；3）针对异构无线节点能效模型以及矿井无线终端分布的流动性特点，提出一种高能效快速稳定的路由策略，为矿井异构无线节点的组网提供了指导意义；4）针对矿井异构无线网络融合过程中的拥塞问题，提出一种基于残差网络、循环神经网络和attention模块的矿井无线网络流量预测模型，并设计采用反馈控制理论实时动态调节网络流量，为未来煤矿对无线通信宽带数据及大系统容量的迫切需求提供指导方向。